Brevet FR3119230A1 — publié le 20220729

Echangeur thermique comprenant : - une paroi métallique (10) présentant une face (13) d’échange thermique en contact avec un fluide caloporteur, et issue d’un procédé de fabrication de fonderie ou de déformation de matière ou d’usinage, - une ailette solidaire de cette face (13) et en conduction thermique avec la paroi (10) d’une part, et le fluide d’autre part, et comprenant une superposition de couches (1, 2) de métal déposé par un procédé de fabrication additive. Figure 1 ECHANGEUR A AILETTES, PROCEDE ET DISPOSITIF DE FABRICATION D’UN ECHANGEUR. L’invention concerne le domaine des échangeurs thermiques, et en particulier la fabrication de tels échangeurs, notamment la fabrication des ailettes de refroidissement accolées à une paroi d’échange thermique. On comprendra par échangeur thermique, dans tout le texte de ce document, un système échangeant de la chaleur entre une paroi d’une part, et un fluide liquide ou gazeux au contact de cette paroi d’autre part. Ces ailettes sont parfois de forme complexe, et leur mise au point est souvent longue. En outre, ces échangeurs sont dimensionnés thermiquement à des contraintes définies. Un besoin thermique supplémentaire nécessite une reconception et un dimensionnement impactant fortement l’échangeur, par exemple lorsque les besoins thermiques dépendent de la destination de l’échangeur : pays à climat froid, tempéré ou chaud par exemple. Ainsi le fabriquant peut être amené à modifier le procédé de fabrication de l’échangeur, et/ou à avoir une grande diversité de moyens de fabrication. Pour remédier à cette problématique, il est par exemple connu du document de brevet EP-A1-3258203 la fabrication d’un échangeur entièrement par un procédé de fabrication additive, communément appelée fabrication par impression métallique en trois dimensions. Ce procédé est très flexible et en outre ne nécessite pas d’outillage spécifique, et permet d’adapter la forme et la géométrie des ailettes en fonction du flux thermique nécessaire pour refroidir la paroi, mais en contrepartie pose un problème principal qui est le temps de fabrication très long et donc couteux. Ce procédé pose en outre un problème secondaire faisant apparaitre une résistance thermique entre chaque couche de métal déposé, ce qui diminue la conductivité thermique des ailettes et de la paroi, et donc l’efficacité globale de l’échangeur thermique. Le but de l’invention est de remédier à ce problème principal en proposant un échangeur de conception améliorée et une optimisation du procédé de fabrication additive. A cet effet, l’invention a pour objet un échangeur thermique comprenant : - une paroi métallique présentant une face d’échange thermique en contact avec un fluide caloporteur, et issue d’un procédé de fabrication de fonderie ou de déformation de matière ou d’usinage, - une ailette solidaire de cette face et en conduction thermique avec la paroi d’une part, et le fluide d’autre part, cette ailette comprenant une superposition de couches de métal déposé par un procédé de fabrication additive. Ainsi il n’est plus obligatoire de réaliser la totalité de l’échangeur par le procédé de fabrication additive, ce qui est un gain en temps et en coûts. En effet, il est plus rentable de réserver les parties complexes de l’échangeur pour le procédé de fabrication additive, les parties les plus simples étant réservées pour des procédés de fabrication plus productifs même s’ils sont moins flexibles ou moins agile que le procédé de fabrication additive. Par exemple, la paroi métallique est ici une partie simple, et est réalisée par emboutissage d’une tôle métallique par exemple en aluminium. Elle peut être également fabriquée par un procédé de fonderie si sa forme est plus complexe ou si les contraintes thermiques et/ou mécaniques nécessitent une épaisseur plus importante qu’une simple tôle métallique, et/ou par usinage si par exemple des interfaces demandent des taraudages ou des surfaces rectifiées. Mais tous ces procédés, de fonderie ou de déformation de matière ou d’usinage, sont moins agiles que le procédé de fabrication additive, si bien que, comme cela a été présenté comme exemple pour le problème posé, cette paroi représente la partie de l’échangeur commune aux différents pays de destination de l’échangeur et, en fonction de cette destination ou de l’usage final de l’échangeur, le procédé de fabrication additive pourra compléter l’échangeur en rajoutant les ailettes nécessaires sans aucune modification des procédés moins agiles. On comprendra par ailette, dans tout le texte de ce document, une protubérance émanant de la paroi et formant une aile, ou un tube, ou un plan dont la section peut varier en fonction de la distance par rapport à la paroi, ou toute autre forme, et dont le but est l’augmentation de la surface d’échange de l’échangeur et/ou l’augmentation de la convection du fluide au contact de la paroi. Par exemple, une lame dont la base est solidarisée à la paroi et ayant une extrémité opposée à la base se terminant en forme de pointe, qu’elle soit vrillé ou non, ou recourbée sur elle-même pour former un profil creux comme un tube, est considéré dans ce texte comme une ailette. Ce fluide est par exemple de l’eau ou de l’air ou de l’huile. Selon un mode de réalisation de l’invention, cet échangeur thermique comprend une deuxième ailette solidaire de cette face et en conduction thermique avec la paroi d’une part, et le fluide d’autre part, cette deuxième ailette étant issue d’un procédé de fabrication de fonderie ou de déformation de matière ou d’usinage. Ainsi cet échangeur comprend donc : - des deuxièmes ailettes formées par un des procédés moins agiles mais plus productifs que procédé de fabrication additive, et qui font parties des éléments communs de l’échangeur, avec la paroi, quel que soit son usage ou sa destination, - et des ailettes agiles réalisées, selon l’usage ou la destination de l’échangeur, par le procédé de fabrication additive. On notera qu’il est avantageux que ces deuxièmes ailettes soit réalisées pendant la même opération de fabrication de la paroi : par exemple par fonderie, emboutissage, usinage. Mais en variante non représentée, ces deuxièmes ailettes sont rapportées et solidarisées par collage, soudage, vissage, ou tout autre moyen de fixation, à la paroi. Selon un mode de réalisation de l’invention, les couches de métal déposé sont des couches réalisées par un fil métallique fondu. Cette caractéristique permet de résoudre le problème secondaire en éliminant les résistances thermiques entre les différentes couches : même si la structure de la matière métallique peut présenter des variations aux jonctions entre les couches de par l’hétérogénéité des températures du métal fondu lors de sa dépose, cela n’en est pas moins une soudure qui permet une continuité de matière et donc une conductivité thermique comme si l’ailette entière était faite d’une matière parfaitement homogène avec la paroi. Avantageusement le fil sera de la même matière que la paroi, mais pas nécessairement. Un tel procédé de fabrication additive est compatible avec une paroi en acier, alliages de titane, aluminium et superalliages par exmple. Selon un mode de réalisation de l’invention, le procédé de fabrication additive est un procédé de soudage automatisé. Notamment un procédé WAAM pour l’acronyme en anglais « Wire Arc Additive Manufacturing » L’invention a également pour objet un composant électronique comprenant : - un élément générateur de chaleur traversé par un courant électrique, - un échangeur de chaleur en contact thermique avec cet élément, cet échangeur étant tel que précédemment décrit. Ce composant électronique est par exemple un transistor ou thyristor comme des MOFSET, un convertisseur de courant, un capteur. L’invention a également pour objet un véhicule automobile comprenant un échangeur ou un composant électronique tels que précédemment décrits. Cet échangeur concerne donc tout organe d’un véhicule, comme une machine électrique tournante : son rotor ou le carter de son stator ; une batterie alimentant cette machine électrique, un moteur à combustion interne et/ou sa ligne d’échappement, un circuit de refroidissement du véhicule. L’invention a également pour objet un procédé de fabrication d’un échangeur thermique à ailettes, ce procédé exécutant: -une étape de fourniture d’une paroi métallique présentant une face d’échange thermique destinée à être en contact avec un fluide caloporteur, et issue d’un procédé de fabrication de fonderie ou de déformation de matière ou d’usinage, et successivement: - une première étape de dépôt d’un premier cordon de soudure d’un fil métallique fondu sur la face, puis - une deuxième étape de dépôt d’un deuxième cordon de soudure du fil métallique fondu par superposition au cordon précédant , cette deuxième étape étant répétée de sorte à former une ailette métallique soudée à cette face . Selon un mode de réalisation de l’invention, la première et la deuxième étape exécutent une sous-étape de fonte du fil métallique sous l’effet d’un arc électrique. L’invention a également pour objet un dispositif de fabrication d’un échangeur thermique à ailettes, ce dispositif comprenant : - une torche de soudage sous atmosphère gazeux et comprenant un système d’avance d’un fil métallique fusible formant un métal d’apport, - un système automatique de guidage et de commande programmé de la torche de soudage, - un support agencé de sorte à maintenir, en vis-à-vis de la torche, une paroi métallique de l’échangeur présentant une face d’échange thermique destinée à être en contact avec un fluide caloporteur, et issue d’un procédé de fabrication de fonderie ou de déformation de matière ou d’usinage, le système automatique de guidage et de commande programmé de la torche étant agencé de sorte à mettre en œuvre le procédé précédemment décrit, pour réaliser l’ailette métallique soudée à cette face. D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d’un mode particulier de réalisation, non limitatif de l’invention, faite en référence à la figure unique dans laquelle : : est un schéma partiel d’un échangeur selon l’invention. La divulgue un échangeur thermique comprenant : - une paroi métallique 10 présentant une face 13 d’échange thermique en contact avec un fluide caloporteur, et issue d’un procédé de fabrication de fonderie ou de déformation de matière ou d’usinage, - une ailette solidaire de cette face 13 et en conduction thermique avec la paroi 10 d’une part, et le fluide d’autre part, cette ailette 11 comprenant une superposition de couches 1, 2 de métal déposé par un procédé de fabrication additive. Cet échangeur comprend une deuxième ailette 12 solidaire de cette face 13 et en conduction thermique avec la paroi 10 d’une part, et le fluide d’autre part, cette deuxième ailette 12 étant issue d’un procédé de fabrication de fonderie ou de déformation de matière ou d’usinage. Les couches 1, 2 de métal déposé sont par exemple des couches réalisées par un fil métallique fondu. Le procédé de fabrication additive est avantageusement un procédé de soudage automatisé. Cette invention trouve une application avantageuse pour un composant électronique comprenant : - un élément générateur de chaleur traversé par un courant électrique, - l’échangeur de chaleur, ici en contact thermique avec cet élément. Cette invention trouve une application avantageuse pour un véhicule automobile comprenant l’échangeur ou le composant électronique. L’invention porte également sur un procédé de fabrication de l’échangeur thermique à ailettes, ce procédé exécutant : - une étape de fourniture de la paroi métallique 10, puis successivement : - une première étape de dépôt d’un premier cordon de soudure 1 d’un fil métallique fondu sur la face, puis - une deuxième étape de dépôt d’un deuxième cordon de soudure 2 du fil métallique fondu par superposition au cordon précédant 1, cette deuxième étape étant répétée de sorte à former une ailette métallique 11 soudée à cette face 13. Par exemple, la première et la deuxième étape exécutent une sous-étape de fonte du fil métallique sous l’effet d’un arc électrique. L’invention porte également sur un dispositif de fabrication de l’échangeur thermique à ailettes, ce dispositif comprenant : - une torche de soudage sous atmosphère gazeux et comprenant un système d’avance d’un fil métallique fusible formant un métal d’apport, - un système automatique de guidage et de commande programmé de la torche de soudage, - un support agencé de sorte à maintenir, en vis-à-vis de la torche, la paroi métallique 10, ce système automatique de guidage et de commande programmé de la torche étant agencé de sorte à mettre en œuvre le procédé pour réaliser l’ailette métallique 11 soudée à cette face 13. La première et la deuxième étape utilisent des procédés et dispositifs de fabrication métallique additive. Ces procédés de fabrication métallique additive utilisent un matériau d’apport métallique, amené dans la chaleur provoquée par une source de chaleur focalisée de la torche, au moyen d’une buse d’alimentation. Ce métal d’apport est sous la forme de poudre métallique ou de fil. Ce matériau d’apport fait l’objet d’une fusion par cette source de chaleur focalisée, puis est déposé par couches 1, 2 successives sur la paroi 10 où il se refroidit et se solidifie ensuite. La source d’énergie peut être un laser, un faisceau d’électrons ou un arc électrique. Les technologies de dépôt et fusion par fil permettent de déposer une plus grande quantité de matériau à plus grande vitesse. En particulier, le procédé de fabrication additive « WAAM » pour l’acronyme en anglais « Wire Arc Additive Manufacturing » exploite cette technologie de dépôt et fusion par fil et est le procédé préféré selon l’invention : la fusion du fil est opérée à l’aide d’un arc électrique. Pour garantir un suivi précis du trajet de la torche, le système automatique de guidage et de commande programmé commande le mouvement et le procédé de soudage de la torche par des programmes de machines à commande numérique. Ce fil est par exemple en titane ou alliages à base de nickel ce qui le rend compatible avec une paroi en acier, alliages de titane, aluminium et superalliages. Ce procédé ou dispositif WAAM s’appuie sur des procédés de soudage automatisés avec un fil fusible : - tels que le soudage à l’arc sous atmosphère gazeux inerte ou active, par exemple MIG pour l’acronyme en anglais « Metal Inert Gaz » y compris le procédé CMT pour l’acronyme en anglais « Cold Metal Transfert » , MAG pour l’acronyme en anglais « Metal Active Gaz » ou encore GMAW pour l’acronyme en anglais « Gas metal arc welding », ou - tels que le soudage à l’arc au plasma PAW pour l’acronyme en anglais «Plasma Arc Welding » ou PWD pour l’acronyme en anglais « Plasma Wire Deposition » ou le soudage à l’arc au tungstène gazeux GTAW pour l’acronyme en anglais « Gas Tungsten Arc Welding » ou TIG pour l’acronyme en anglais « Tungstène Inerte Gaz ». Le système automatique de guidage et de commande programmé de la torche, qui est agencé de sorte à mettre en œuvre les étapes du procédé de fabrication de l’échangeur thermique à ailettes, est par exemple un calculateur ou ordinateur. Ce système automatique de guidage et de commande programmé comprend donc les moyens d’acquisition, de traitement par instructions logicielles stockées dans une mémoire ainsi que les moyens de commande requis à la mise en œuvre du procédé de fabrication de l’échangeur thermique à ailettes. Par conséquent, Le système automatique de guidage et de commande, selon l’invention, peut être réalisé sous la forme de modules logiciels (ou informatiques (ou encore « software »)) comme les programmes de machines à commande numérique, ou bien de circuits électroniques (ou « hardware »), ou encore d’une combinaison de circuits électroniques et de modules logiciels ». Echangeur thermique comprenant : - une paroi métallique (10) présentant une face (13) d’échange thermique en contact avec un fluide caloporteur, et issue d’un procédé de fabrication de fonderie ou de déformation de matière ou d’usinage, - une ailette solidaire de cette face (13) et en conduction thermique avec la paroi (10) d’une part, et le fluide d’autre part, caractérisé en ce que cette ailette (11) comprend une superposition de couches (1, 2) de métal déposé par un procédé de fabrication additive. Echangeur thermique selon la revendication 1, comprenant une deuxième ailette (12) solidaire de cette face (13) et en conduction thermique avec la paroi (10) d’une part, et le fluide d’autre part, cette deuxième ailette (12) étant issue d’un procédé de fabrication de fonderie ou de déformation de matière ou d’usinage. Echangeur thermique selon l’une des revendications précédentes, les couches (1, 2) de métal déposé étant des couches réalisées par un fil métallique fondu. Echangeur thermique selon l’une des revendications précédentes, le procédé de fabrication additive étant un procédé de soudage automatisé. Composant électronique comprenant : - un élément générateur de chaleur traversé par un courant électrique, - un échangeur de chaleur en contact thermique avec cet élément, caractérisé en ce que cet échangeur est conforme à l’une des revendications 1 à 4. Véhicule automobile caractérisé en ce qu’il comprend un échangeur selon l’une des revendications 1 à 4 ou un composant électronique selon la revendication 5. Procédé de fabrication d’un échangeur thermique à ailettes, ce procédé exécutant : -une étape de fourniture d’une paroi métallique (10) présentant une face (13) d’échange thermique destinée à être en contact avec un fluide caloporteur, et issue d’un procédé de fabrication de fonderie ou de déformation de matière ou d’usinage, caractérisé en ce que ce procédé comprend successivement: - une première étape de dépôt d’un premier cordon de soudure (1) d’un fil métallique fondu sur la face, puis - une deuxième étape de dépôt d’un deuxième cordon de soudure (2) du fil métallique fondu par superposition au cordon précédant (1), cette deuxième étape étant répétée de sorte à former une ailette métallique (11) soudée à cette face (13). Procédé de fabrication selon la revendication 7, la première et la deuxième étape exécutant une sous-étape de fonte du fil métallique sous l’effet d’un arc électrique. Dispositif de fabrication d’un échangeur thermique à ailettes, ce dispositif comprenant : - une torche de soudage sous atmosphère gazeux et comprenant un système d’avance d’un fil métallique fusible formant un métal d’apport, - un système automatique de guidage et de commande programmé de la torche de soudage, - un support agencé de sorte à maintenir, en vis-à-vis de la torche, une paroi métallique (10) de l’échangeur présentant une face (13) d’échange thermique destinée à être en contact avec un fluide caloporteur, et issue d’un procédé de fabrication de fonderie ou de déformation de matière ou d’usinage, caractérisé en ce que le système automatique de guidage et de commande programmé de la torche est agencé de sorte à mettre en œuvre un procédé selon l’une des revendications 7 ou 8 pour réaliser l’ailette métallique (11) soudée à cette face (13).