Brevet FR3103031A1 — publié le 20210514

La présente invention concerne un évaporateur (1) pour système de transfert thermique diphasique à pompage capillaire (X) pour véhicule automobile, ledit évaporateur (1) comportant : une plaque d’échange thermique (10) comportant une première face (10a) destinée à venir au contact d’un élément à refroidir et une deuxième face (10b), opposée à la première face (10a), destinée à être au contact d’un fluide réfrigérant à basse pression, un corps creux (13) imperméable recouvrant au moins partiellement la deuxième face (10b) de la plaque d’échange thermique (10) de sorte à former une cavité, une masse poreuse (15) disposée dans la cavité et délimitant avec la plaque d’échange thermique (10) une première chambre (13a) dans laquelle est destiné à circuler le fluide réfrigérant à basse pression et délimitant avec le corps creux (15) une deuxième chambre (13b) dans laquelle est destiné à circuler le fluide réfrigérant à haute pression, au moins un des éléments parmi la plaque d’échange thermique (10), le corps creux (13) et la masse poreuse (15) étant réalisé en matériau polymère. Figure d’abrégé : Fig 3 Évaporateur pour système de transfert thermique diphasique à pompage capillaire et procédé de fabrication associé La présente invention concerne le domaine des échangeurs thermiques et plus particulièrement des évaporateurs dans le cadre d’un système de transfert thermique diphasique à pompage capillaire pour véhicule automobile. Les systèmes de transfert thermique diphasique à pompage capillaire sont connus dans l’art antérieur, notamment dans le domaine du refroidissement de composants électroniques comme des puces électroniques ou processeurs et dans le domaine spatial. Un système de transfert thermique diphasique à pompage capillaire comporte généralement un évaporateur disposé au niveau de l’élément à refroidir et un condenseur afin de dissiper l’énergie calorifique. Entre cet évaporateur et ce condenseur circule un fluide caloporteur diphasique dont la mise en mouvement est généralement assurée par un élément poreux assurant un pompage capillaire. L’évaporateur comporte une plaque d’échange thermique destinée à venir au contact d’un élément à refroidir, un corps creux imperméable recouvrant au moins partiellement la deuxième face de la plaque d’échange thermique de sorte à former une cavité et une masse poreuse disposée dans la cavité afin d’effectuer le pompage capillaire. Généralement, au moins la plaque d’échange thermique est réalisée en cuivre. Ce matériau est coûteux mais du fait que pour une utilisation dans le domaine de refroidissement des composants électroniques la surface de ladite plaque d’échange thermique est réduite, les coûts restent limités. Cependant, dans le domaine automobile, l’utilisation d’un tel matériau n’est pas adaptée car la taille dudit évaporateur est plus importante et donc l’utilisation de cuivre augmenterait considérablement le coût de l’évaporateur. Un des buts de la présente invention est donc de remédier au moins partiellement aux inconvénients de l’art antérieur et de proposer un évaporateur amélioré pour systèmes de transfert thermique diphasique à pompage capillaire. La présente invention concerne donc un évaporateur pour système de transfert thermique diphasique à pompage capillaire pour véhicule automobile, ledit évaporateur comportant : une plaque d’échange thermique comportant une première face destinée à venir au contact d’un élément à refroidir et une deuxième face, opposée à la première face, destinée à être au contact d’un fluide réfrigérant à basse pression, un corps creux imperméable recouvrant au moins partiellement la deuxième face de la plaque d’échange thermique de sorte à former une cavité, une masse poreuse disposée dans la cavité et délimitant avec la plaque d’échange thermique une première chambre dans laquelle est destiné à circuler le fluide réfrigérant à basse pression et délimitant avec le corps creux une deuxième chambre dans laquelle est destiné à circuler le fluide réfrigérant à haute pression, au moins un des éléments parmi la plaque d’échange thermique, le corps creux et la masse poreuse étant réalisé en matériau polymère. L’utilisation d’un matériau polymère permet d’avoir un évaporateur léger et peu onéreux. Selon un aspect de l’invention, la masse poreuse est réalisée en matériau polymère. Selon un autre aspect de l’invention, le corps creux est réalisé en matériau polymère. Selon un autre aspect de l’invention, le corps creux comporte au moins une section semi-cylindrique dont l’axe est parallèle au sens d’écoulement du fluide réfrigérant dans la deuxième chambre. Selon un autre aspect de l’invention, le corps creux et la masse poreuse sont réunis en une seule pièce sur laquelle est fixée la plaque d’échange thermique. Selon un autre aspect de l’invention, la masse poreuse et le corps creux forment un faisceau de tubes disposés parallèlement les uns des autres, une première portion de la paroi desdits tubes, destinée à former avec la plaque d’échange thermique la première chambre, étant réalisée en masse poreuse et une deuxième portion de la paroi, complémentaire de la première portion, étant formée par le corps creux de sorte que les orifices internes desdits tubes forment la deuxième chambre. Selon un autre aspect de l’invention, la masse poreuse et le corps creux forment un faisceau de tubes disposés parallèlement les uns des autres, lesdits tubes comportant un cœur tubulaire réalisé en masse poreuse, une première portion de la paroi des cœurs tubulaires étant destinée à former avec la plaque d’échange thermique la première chambre et une deuxième portion de la paroi des cœurs tubulaires, complémentaire de la première portion, étant recouverte par le corps creux de sorte que les orifices internes desdits cœurs tubulaires forment la deuxième chambre. Selon un autre aspect de l’invention, la plaque d’échange thermique est réalisée dans un matériau polymère chargé en éléments conducteurs thermique. La présente invention concerne également un système de transfert thermique diphasique à pompage capillaire pour véhicule automobile comportant un évaporateur tel que décrit précédemment. D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, fournie à titre illustratif et non limitatif, et des dessins annexés dans lesquels : La figure 1 est une représentation schématique d’un système de transfert thermique diphasique à pompage capillaire selon un premier mode de réalisation, La figure 2 est une représentation schématique en perspective en coupe d’un évaporateur selon un premier mode de réalisation et parallèlement au sens de circulation du fluide réfrigérant, La figure 3 est une représentation schématique en perspective en coupe de l’évaporateur de la figure 2 perpendiculairement au sens de circulation du fluide réfrigérant, La figure 4 est une représentation schématique en perspective en coupe d’un évaporateur selon un deuxième mode de réalisation et parallèlement au sens de circulation du fluide réfrigérant, La figure 5 est une représentation schématique en perspective en coupe de l’évaporateur de la figure 4 perpendiculairement au sens de circulation du fluide réfrigérant, La figure 6 est une représentation schématique en perspective en coupe d’un évaporateur selon un troisième mode de réalisation, La figure 7 est une représentation schématique en perspective en coupe d’un évaporateur selon un quatrième mode de réalisation, La figure 8 est une représentation schématique en perspective en coupe d’un évaporateur selon un cinquième mode de réalisation, La figure 9 est une représentation schématique en perspective en coupe d’un évaporateur selon un sixième mode de réalisation. Sur les différentes figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de 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 seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées et/ou inter-changées pour fournir d'autres réalisations. Dans la présente description, on peut indexer certains éléments ou paramètres, 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 inter-changer 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. La figure 1 montre une représentation schématique d’un système de transfert thermique diphasique à pompage capillaire X comportant un évaporateur 1 et un condenseur 2 entre lesquels circule un fluide réfrigérant diphasique couramment utilisé au sein des circuits de climatisation, comme par exemple le 1234yf. L’utilisation d’un tel fluide réfrigérant permet une utilisation du système de transfert thermique diphasique à pompage capillaire X dans le domaine automobile avec des risques cancérigènes, mutagènes et toxiques moindres par rapport au méthanol couramment utilisé dans ces systèmes de transfert thermique diphasique à pompage capillaire. L’invention n’est bien évidemment pas limitée au type de fluide réfrigérant diphasique employé. Le condenseur 2 peut être un échangeur de chaleur disposé au sein d’un flux d’air externe 200 afin de dissiper l’énergie calorifique absorbée au niveau de l’évaporateur 1. Le condenseur 2 peut ainsi être disposé en face avant du véhicule automobile. Comme le montrent les figures 2 et 3, l’évaporateur 1 comporte une plaque d’échange thermique 10, un corps creux 13 et une masse poreuse 15. La plaque d’échange thermique 10 comporte une première face 10a destinée à venir au contact d’un élément à refroidir et une deuxième face 10b, opposée à la première face 10a, destinée à être au contact d’un fluide réfrigérant à basse pression. Le corps creux 13 est quant à lui imperméable et recouvre la deuxième face 10b de la plaque d’échange thermique 10 de sorte à former une cavité. La masse poreuse 15 est disposée dans cette cavité et délimite une première 13a et une deuxième 13b chambre. Cette masse poreuse 15 permet le passage par capillarité du fluide caloporteur entre la deuxième 13b et la première 13a chambre. Pour cela la masse poreuse 15 comporte des pores communicants par exemple d’un diamètre moyen entre 2µm et 200µm. La masse poreuse 15 délimite avec la plaque d’échange thermique 10, et plus précisément avec sa deuxième face 10b, une première chambre 13a dans laquelle est destiné à circuler le fluide réfrigérant à basse pression. La masse poreuse 15 délimite avec le corps creux 13 une deuxième chambre 13b dans laquelle est destiné à circuler le fluide réfrigérant à haute pression. La masse poreuse 15 peut ainsi être fixée sur la face interne du corps creux 13 comme illustré sur les figures 2 et 3. Une autre possibilité, illustrée aux figures 4 et 5 est que la plaque d’échange thermique 10, plus précisément sa deuxième face 10b, comporte un rebord 11 sur lequel est fixé la masse poreuse 15 de sorte à définir la première chambre 13a. La deuxième chambre 13b comporte également une entrée 14a de fluide caloporteur. Cette entrée 14a de fluide caloporteur peut plus particulièrement être réalisée au niveau du corps creux 13. La première chambre 13a comporte quant à elle une sortie 14b de fluide caloporteur. Cette sortie 14b de fluide caloporteur peut être réalisée au niveau du corps creux 13 comme illustré dans l’exemple des figures 2 et 3 ou bien au niveau de la plaque d’échange thermique 10 comme illustré dans l’exemple des figures 4 et 5. Au sein du système de transfert thermique diphasique à pompage capillaire X l’entrée 14a de fluide caloporteur est connectée à une sortie de fluide caloporteur du condenseur 2. La sortie 14b de fluide caloporteur est quant à elle connectée à une entrée de fluide caloporteur du condenseur 2. Le fluide caloporteur arrivant dans la deuxième chambre 13b est à « haute » pression et en phase liquide. Ce fluide réfrigérant à « haute » pression provient du condenseur 2 et passe de la deuxième 13b à la première 13a chambre en traversant la masse poreuse 15 par capillarité. Ce passage d’une chambre à une autre permet la mise en mouvement du fluide caloporteur au sein du système de transfert thermique diphasique à pompage capillaire X et permet une baisse de pression dudit fluide caloporteur. Le fluide caloporteur arrivant dans la première chambre 13a via la masse poreuse 15 passe alors à « basse » pression. Par haute et basse pression, on entend ici que le fluide caloporteur dans la deuxième chambre 13b est à une pression supérieure au fluide caloporteur au sein de la première chambre 13a. Le fluide réfrigérant à « basse » pression au sein de la première chambre 13a au contact de la deuxième face 10b de la plaque d’échange thermique 10 passe à l’état gazeux en prélevant de l’énergie calorifique à ladite plaque d’échange thermique 10 qui permet ainsi que refroidir l’élément à refroidir au contact de sa première face 10a. Le fluide caloporteur à l’état gazeux rejoint ensuite le condenseur 2 au niveau duquel il repasse à l’état liquide en cédant de l’énergie calorifique au flux d’air externe 200. Afin de faciliter les échanges entre le fluide caloporteur et la plaque d’échange thermique 10, la deuxième face 10b de ladite plaque d’échange thermique 10 peut comporter des ailettes 10c faisant saillie dans la première chambre 13a. Ces ailettes 10c peuvent notamment être parallèles les unes aux autres et orientées dans le sens de circulation du fluide caloporteur afin de limiter les pertes de charge. La masse poreuse 15 peut également être au contact des sommets desdites ailettes 10c afin qu’elle servent de point de fixation à ladite masse poreuse 15. Les ailettes 10c peuvent ainsi former des canaux au sein de la première chambre 13a dans lesquels circule le fluide caloporteur. Au sein de l’évaporateur 1, au moins un des éléments parmi la plaque d’échange thermique 10, le corps creux 13 et la masse poreuse 15 est réalisé en matériau polymère. Le fait d’utiliser un matériau polymère pour réaliser au moins un de ces éléments permet de limiter les coûts de production mais également permet un allègement de l’évaporateur 1 par rapport à l’utilisation d’un matériau métallique tel que le cuivre. Le corps creux 13 peut notamment être réalisé en matériau polymère. Le matériaux polymère est par exemple : le Polypropylène (PP), le Polyéthylène (PE), un Polyamide, le polytéréphtalate d’éthylène, le polytéréphtalate de butylène, le polycarbonate, ou tout autre thermoplastique. Il peut s’agir d’un mélange de polymères. Le matériau polymère peut être sous forme multi-couches. L’utilisation d’un matériau polymère pour réaliser le corps creux permet, du fait de la faible conduction thermique, d’augmenté l’efficacité de l’évaporateur 1. En effet, les déperditions thermiques au niveau du corps creux seront ainsi limitées et les échanges d’énergie calorifique concentrés au niveau de la plaque d’échange thermique 10. Le corps creux 13 peut notamment être obtenu par des procédés d’injection, d’extrusion ou de frittage. Comme le montre la figure 6, afin d’avoir un corps creux 13 le plus léger possible ainsi que le plus résistant possible aux pressions du fluide caloporteur, le corps creux 13 peut comporter une section semi-cylindrique dont l’axe est parallèle au sens d’écoulement du fluide réfrigérant dans la deuxième chambre 13b. Selon une variante illustrée à la figure 7, le corps creux 13 peut comporter une pluralités de sections semi-cylindriques parallèles les unes aux autres. La masse poreuse 15 peut également être réalisée en matériau polymère. La masse poreuse 15 peut ainsi être réalisée dans des matériaux polymères perméables tels que le Polypropylène, le Polyéthylène, un Polyamide ou encore le polytétrafluoroéthylène. La masse poreuse 15 peut être obtenue par des procédés de moulage par injection, d’extrusion ou de frittage. Afin de former la porosité, des agents ou gaz moussants (« foaming agent » ou « foaming gas » en anglais) peuvent être utilisés lors des procédés de moulage par injection, d’extrusion ou de frittage. D’autres procédés de fabrication de la masse poreuse 15 peuvent également être envisagés. La masse poreuse 15 peut ainsi être obtenue par un procédé d’impression 3D comme par dépôt de matière fondue (connu également sous l’acronyme FDM pour « Fused Déposition Modeling » en anglais) ou par frittage sélectif par laser (connu également sous l’acronyme SLS pour « Selective Laser Sintering » en anglais). La porosité de la masse poreuse 15 peut être obtenue ici par contrôle de la distance entre deux couches d’impulsion laser dans le cadre du SLS ou par contrôle du taux de remplissage dans le cadre du FDM. La porosité peut également être obtenue par la conception et la conformation même de la masse poreuse 15 qui comprend des ouvertures communicantes permettant la traversée par capillarité du fluide caloporteur. Selon un mode particulier de l’invention, le corps creux 13 et la masse poreuse 15 sont réunis en une seule pièce sur laquelle est fixée la plaque d’échange thermique 10, comme illustré aux figures 7 à 9. La deuxième chambre 13b est ainsi formée indépendamment et la première chambre est formée par la fixation de la plaque d’échange thermique 10. Cela permet ainsi de faciliter le montage de l’évaporateur 1. De plus, le fait que le corps creux 13 et la masse poreuse 15 sont réunis en une seule pièce réalisée simultanément permet d’obtenir une bonne étanchéité au niveau des zones de contact entre ces deux éléments. Le corps creux 13 et la masse poreuse 15 peuvent ainsi être réalisés simultanément par bi-injection ou co-extrusion de sorte à former la deuxième chambre 13b. De même, le corps creux 13 et la masse poreuse 15 peuvent être réalisés simultanément par impression 3D. Une autre possibilité est également de surmouler le corps creux 13 autour de la masse poreuse 15. Le fait que le corps creux 13 et la masse poreuse 15 sont réunis en une seule pièce permet également d’avoir une grande variété de conformation. Cela permet notamment d’augmenter la surface de contact du fluide caloporteur avec la masse poreuse 15 afin d’augmenter la fonction de pompage par capillarité de l’évaporateur 1 et ainsi d’augmenter son efficacité. Pour cela, la masse poreuse 15 peut notamment avoir un profil incurvé au sein de la cavité formée entre la plaque d’échange thermique 10 et le corps creux 13. Selon un premier mode de réalisation du corps creux 13 et de la masse poreuse 15 illustré à la figure 8, ces derniers forment un faisceau de tubes disposés parallèlement les uns des autres et s’étendant dans le sens de circulation du fluide caloporteur. Une première portion de la paroi desdits tubes est réalisée en masse poreuse 15. Cette première portion peut par exemple correspondre à la moitié du tube faisant face à la plaque d’échange thermique 10. Cette première portion est notamment destinée à former avec la plaque d’échange thermique 10 la première chambre 13a. Une deuxième portion de la paroi desdits tubes, complémentaire de la première portion, est quant à elle formée par le corps creux 13. Ainsi, les orifices internes desdits tubes forment la deuxième chambre 13b. Selon un deuxième mode de réalisation du corps creux 13 et de la masse poreuse 15 illustré à la figure 9, ces derniers forment également un faisceau de tubes disposés parallèlement les uns des autres et s’étendant dans le sens de circulation du fluide caloporteur. Ce deuxième mode de réalisation diffère du premier par le fait que les tubes comportent un cœur tubulaire réalisé en masse poreuse 15. Une première portion de la paroi des cœurs tubulaires en masse poreuse 15 est destinée à former avec la plaque d’échange thermique 10 la première chambre 13a et une deuxième portion de la paroi des cœurs tubulaires, complémentaire de la première portion, est recouverte par le corps creux 13 de sorte que les orifices internes desdits cœurs tubulaires forment la deuxième chambre 13b. La plaque d’échange thermique 10 peut également être réalisée dans un matériau polymère. Afin de conserver une bonne conduction thermique, ce matériau polymère peut notamment être chargé en éléments conducteurs thermiques comme par exemple en carbone, graphite, graphène, cuivre ou aluminium. Ainsi, on voit bien que l’évaporateur 1 du fait qu’au moins un de ces éléments est réalisé en matériau polymère, permet d’avoir un évaporateur 1 économique et léger pour une utilisation au sein d’un véhicule automobile. Evaporateur (1) pour système de transfert thermique diphasique à pompage capillaire (X) pour véhicule automobile, ledit évaporateur (1) comportant : une plaque d’échange thermique (10) comportant une première face (10a) destinée à venir au contact d’un élément à refroidir et une deuxième face (10b), opposée à la première face (10a), destinée à être au contact d’un fluide réfrigérant à basse pression, un corps creux (13) imperméable recouvrant au moins partiellement la deuxième face (10b) de la plaque d’échange thermique (10) de sorte à former une cavité, une masse poreuse (15) disposée dans la cavité et délimitant avec la plaque d’échange thermique (10) une première chambre (13a) dans laquelle est destiné à circuler le fluide réfrigérant à basse pression et délimitant avec le corps creux (15) une deuxième chambre (13b) dans laquelle est destiné à circuler le fluide réfrigérant à haute pression, caractérisé en ce qu’au moins un des éléments parmi la plaque d’échange thermique (10), le corps creux (13) et la masse poreuse (15) est réalisé en matériau polymère. Evaporateur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la masse poreuse (15) est réalisée en matériau polymère. Evaporateur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps creux (13) est réalisé en matériau polymère. Evaporateur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le corps creux (13) comporte au moins une section semi-cylindrique dont l’axe est parallèle au sens d’écoulement du fluide réfrigérant dans la deuxième chambre (13b). Evaporateur (1) selon la revendication 2 en combinaison avec l’une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le corps creux (13) et la masse poreuse (15) sont réunis en une seule pièce sur laquelle est fixée la plaque d’échange thermique (10). Evaporateur (1) selon la revendication 5 caractérisé en ce que la masse poreuse (15) et le corps creux (13) forment un faisceau de tubes disposés parallèlement les uns des autres, une première portion de la paroi desdits tubes, destinée à former avec la plaque d’échange thermique (10) la première chambre (13a), étant réalisée en masse poreuse (15) et une deuxième portion de la paroi, complémentaire de la première portion, étant formée par le corps creux (13) de sorte que les orifices internes desdits tubes forment la deuxième chambre (13b). Evaporateur (1) selon la revendication 5 caractérisé en ce que la masse poreuse (15) et le corps creux (13) forment un faisceau de tubes disposés parallèlement les uns des autres, lesdits tubes comportant un cœur tubulaire réalisé en masse poreuse (15), une première portion de la paroi des cœurs tubulaires étant destinée à former avec la plaque d’échange thermique (10) la première chambre (13a) et une deuxième portion de la paroi des cœurs tubulaires, complémentaire de la première portion, étant recouverte par le corps creux (13) de sorte que les orifices internes desdits cœurs tubulaires forment la deuxième chambre (13b). Evaporateur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaque d’échange thermique (10) est réalisée dans un matériau polymère chargé en éléments conducteurs thermique. Système de transfert thermique diphasique à pompage capillaire (X) pour véhicule automobile comportant un évaporateur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes.