Brevet FR3143726A1 — publié le 20240621

Echangeur de chaleur en polymère Echangeur de chaleur (1) comportant un corps (2) monolithique comportant un matériau polymérique, le corps (2) comportant une paroi (3) ayant une face intérieure (6) qui délimite une cavité (7) dont le volume est supérieur au volume de la paroi, au moins un conduit de circulation fluidique (9,10) étant ménagé dans la masse de la paroi, débouchant hors de la paroi par une entrée de fluide (15,17) et une sortie de fluide (16,18), et comportant au moins une portion courbée et/ou coudée (23,24,25,26). Figure pour l’abrégé : Fig. 2 Echangeur de chaleur en polymère La présente invention concerne le domaine des échangeurs de chaleur. Les échangeurs de chaleur en polymère sont connus de longue date. Compte tenu de la faible conductivité thermique et de l’excellente résistance à la corrosion des polymères qui les constituent, les échangeurs de chaleur en polymère sont généralement utilisés pour chauffer ou refroidir des fluides hautement corrosifs, ou pour la circulation de fluides ultrapurs pour lesquels aucune contamination métallique n'est permise, comme dans l'industrie des semi-conducteurs. Ils peuvent par ailleurs opérer jusqu’à une température de fonctionnement pouvant atteindre 350 °C pour les polymères les plus résistants thermiquement. Toutefois, bien que nécessitant des surfaces d’échange thermique plus élevées que les échangeurs de chaleur métalliques, les échangeurs de chaleur en polymère sont de plus en plus fréquemment intégrés dans des véhicules afin d’en réduire la masse, en particulier suite à la mise à disposition de nouveaux matériaux polymère à haute conductivité thermique et mécanique. Par ailleurs, ces échangeurs de chaleur sont généralement obtenus par injection et collage. Les échangeurs de chaleur en polymère peuvent être de type à mono-flux, pour chauffer ou refroidir des pièces ou des fluides (échangeur à immersion). Ils sont souvent utilisés dans l’industrie des traitements de surface, de la chimie, afin par exemple de contrôler la température de bains acides ou alcalins ou de solutions de haute pureté. Des échangeurs de chaleur en polymère à double flux sont aussi connus pour échanger de la chaleur entre deux flux de matière, solide ou fluide, circulant dans l’échangeur. Les échangeurs à tubes et calandre et les échangeurs à plaques sont des exemples d’échangeurs de chaleur à double flux. Il existe donc un besoin pour un nouvel échangeur de chaleur présentant une faible masse et une bonne efficacité d’échange de chaleur, et en particulier adapté à une application dans le domaine de l’automobile. L’invention répond au moins partiellement à ce besoin et propose un échangeur de chaleur comportant un corps monolithique comportant, voire consistant en, un matériau polymérique, le corps comportant une paroi ayant une face intérieure qui délimite une cavité dont le volume est supérieur au volume de la paroi, au moins un conduit de circulation fluidique étant ménagé dans la masse de la paroi, débouchant hors de la paroi par une entrée de fluide et une sortie de fluide, et comportant au moins une portion courbée et/ou coudée. L’échangeur de chaleur permet ainsi d’échanger efficacement de la chaleur, par exemple avec un liquide ou une pièce contenue dans la cavité. Il présente en outre l’avantage d’une faible masse par l’intégration du conduit de circulation fluidique dans le volume de la paroi. Le volume de la cavité peut être plus de deux fois, voire plus de dix fois, voire plus de vingt fois, voire plus de cinquante fois, voire plus de cent fois supérieur au volume de la paroi. Le volume de la paroi est délimité par les faces intérieure et extérieure de la paroi. Il comprend donc le volume occupé par le conduit de circulation fluidique. Le volume de la cavité peut être compris entre 10 cm 3 et 10000 cm 3 . La longueur de cavité peut être plus de deux fois, voire plus de dix fois, voire plus de vingt fois supérieure à l’épaisseur minimale de la paroi. La « longueur » de la cavité est la plus grande distance séparant deux parties opposées de la face intérieure, la distance étant mesurée normalement à la face intérieure de la paroi. L’« épaisseur minimale », respectivement l’ « épaisseur maximale » de la paroi est la plus petite, respectivement la plus grande distance séparant la face intérieure de la face extérieure de la paroi, mesurée normalement à la face intérieure de la paroi. L’épaisseur minimale de la paroi peut être comprise entre 500 µm et 5 mm. L’épaisseur maximale de la paroi peut être inférieure à 25 mm. De préférence la paroi présente une épaisseur, au moins dans une section transverse, comprise entre 500 µm et 20 mm. La paroi peut être pleine. En variante, elle peut comporter un ou plusieurs ajours qui la traversent de part en part dans son épaisseur. Le cas échéant, la cavité est délimitée par la surface enveloppe de la face intérieure de la paroi. La paroi peut comporter plusieurs cloisons, par exemple une ou plusieurs cloisons latérales qui s’étendent à partir d’une cloison de fond. Par exemple, la paroi présente une forme générale parallélépipèdique. En variante, elle peut présenter une forme générale hémicylindrique. De préférence, la paroi définit une ouverture d’accès à la cavité, par exemple par laquelle un liquide peut être introduit dans la cavité. Le corps peut être conformé pour être monté sur un support, par exemple d’un véhicule automobile. Par exemple, il comporte au moins une trou traversant dans lequel une vis peut être engagée pour le fixer sur le support. En variante, la paroi peut comporter un moyen de fixation, par exemple un filet de vissage, une gorge ou un relief d’encliquetage, pour le montage du corps sur un support ou pour la fixation d’un couvercle afin de fermer l’ouverture d’accès à la cavité. Le moyen de fixation peut être porté par la face extérieure de la paroi. Le matériau polymérique peut être choisi parmi l’acide polylactique, l’acrylonitrile butadiène styrène, le polytéréphtalate d'éthylène, le polyamide, le polyuréthane thermoplastique, le polycarbonate, le polypropylène, le polyfluorure de vinylidène, le polyéthylene chlorotrifluoroéthylène, le polytétrafluoroéthylène, le perfluoroalkoxy, l’éthylène propylène fluoré, un thermoplastique élastomère, un copolymère à base de polyéthylène glycol, un copolymère à base de polypropylène glycol et leurs mélanges. De préférence, le matériau polymérique est choisi parmi l’acide polylactique, l’acrylonitrile butadiène styrène, le polytéréphtalate d'éthylène, le polyamide, par exemple de dénomination PA6, PA11 ou PA12, le polyuréthane thermoplastique, le polycarbonate et leurs mélanges. Par exemple, le matériau polymérique peut être un mélange de polycarbonate et d’acrylonitrile butadiène styrène. La paroi peut être faite du matériau polymérique. En variante, la paroi peut être en un matériau composite formé d’une matrice consistant en le matériau polymérique et de particules de charge dispersées dans la matrice. Les particules de charge sont en un matériau de charge, de préférence présentant une conductivité thermique mesurée à 25 °C comprise entre 6 W.m -1 .K -1 et 6000 W.m -1 .K -1 . Le matériau de charge peut être choisi parmi le carbone, le cuivre, l’argent, l’or, l’aluminium, le nickel, le nitrure de bore, le nitrure d’aluminium, l’oxyde de béryllium, l’oxyde d’aluminium et leurs mélanges. Les particules de charge en carbone peuvent se présenter sous la forme de particules de graphite, de noir de carbone, de nanotubes de carbone, de diamant et de fibres de carbone. De préférence, la paroi présente au moins dans une section transverse, une épaisseur qui est inférieure ou égale à 3 fois, de préférence inférieure ou égale à 2 fois, le diamètre du conduit de circulation fluidique. De cette façon, on assure un transfert thermique efficace à travers la paroi entre le fluide caloporteur circulant dans le conduit de circulation fluidique et une matière contenue dans la cavité. Le conduit de circulation fluidique peut présenter un diamètre compris entre 1 mm et 10 mm. Le canal de circulation fluidique présente de préférence une forme tubulaire, par exemple de section de contour rectangulaire ou circulaire. Le diamètre du conduit de circulation fluidique peut varier le long du conduit de circulation fluidique. Il peut être constant sur plus de 50 %, voire sur plus de 80 %, voire sur plus de 90 % de la longueur de l’axe du conduit de circulation fluidique. De préférence, le conduit de circulation fluidique s’étend au moins en partie, de préférence sur plus de 50 %, voire sur plus de 90 % de sa longueur, dans un plan médian d’extension de la paroi. En particulier, le conduit de circulation fluidique peut présenter un diamètre plus faible dans au moins une section transverse où l’épaisseur de la paroi est faible. Le conduit de circulation fluidique peut comporter une ou plusieurs portions méandriformes, notamment au moins une portion en forme d’un serpentin, ou au moins une portion en forme d’une spirale. Le conduit de circulation fluidique peut comporter au moins une strate de portions parallèles les unes aux autres qui s’étendent dans un même plan de strate, de préférence parallèle au plan d’extension de la paroi. De préférence, il comporte une unique strate, afin de limiter l’épaisseur de la paroi tout en assurant un échange thermique optimal. Le circuit de circulation fluidique peut avoir au moins une portion qui s’étend de part en part dans sa longueur entre deux bords opposés de la paroi. En particulier, les bords peuvent relier la face intérieure à la face extérieure de la paroi. De préférence, l’entrée de fluide et la sortie de fluide débouchent sur la face extérieure de la paroi. De cette façon, l’alimentation et l’extraction du fluide caloporteur peuvent s’effectuer sans transiter par la cavité. De préférence, l’échangeur de chaleur comporte deux conduits de circulation de fluide. Les deux conduits de circulation de fluide sont des premier et deuxième conduits de circulation de fluide pour le transfert de chaleur entre des premier et deuxième fluides respectivement à travers la masse de la paroi. L’échangeur de chaleur est alors de type à « double-flux ». Avantageusement, l’échangeur de chaleur permet un transfert thermique entre les fluides tout en définissant un logement dans la cavité. Il permet ainsi de rendre plus compact un dispositif, par exemple un élément d’un moteur, dans lequel il est intégré. De préférence, les premier et deuxième conduits de circulation de fluide sont séparés sur plus de 50 %, de préférence plus de 80 %, de préférence plus de 95 % de leurs longueurs respectives, d’une distance comprise entre 50 µm et 10 mm, notamment entre 0,5 mm et 10 mm, en particulier entre 1 mm et 10 mm, notamment inférieure à 5 mm. La distance séparant deux conduits de circulation de fluide est, dans une section transverse de la paroi, la plus petite distance entre les faces intérieures desdits conduits. Notamment, les premier et deuxième circuits de circulation de fluide peuvent présenter des portions méandriformes qui s’étendent selon des axes parallèles. Les axes peuvent être curvilignes ou rectilignes ou présenter des parties rectilignes et curvilignes. Le conduit de circulation du premier fluide et le conduit de circulation du deuxième fluide peuvent présenter des formes identiques. L’échangeur de chaleur peut être un échangeur de chaleur d’un véhicule automobile. De préférence, le corps est un élément d’un moteur d’une automobile. L’élément de moteur est de préférence un carter d’huile. En variante, le corps peut être un récipient pour contenir un liquide et/ou une poudre dans la cavité. L’échangeur de chaleur est de préférence un échangeur de chaleur eau/huile. Le premier fluide est de préférence une huile de lubrification pour moteur. Un échangeur « A/B » est un échangeur configuré pour échanger de la chaleur en le fluide A et le fluide B. De préférence, l’échangeur eau/huile est logé dans la partie inférieure du moteur, afin d’être au plus près de la source d’huile de lubrification contenue dans le carter d’huile. L’échangeur de chaleur peut comporter une pompe en communication de fluide avec le corps pour introduire et extraire un fluide par l’entrée de fluide et par la sortie de fluide respectivement. L’invention concerne encore un procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur selon l’invention, le procédé comportant la production du corps par une technique de fabrication additive. Une technique de « fabrication additive », comme cela est bien connu de l’homme du métier, comporte le dépôt d’un matériau en passes successives pour former un empilement de couches jusqu’à l’obtention d’une pièce monolithique. De préférence, la technique de fabrication additive est une technique de fabrication additive sur lit de poudre, par exemple choisie parmi la fabrication additive par frittage sélectif par laser, aussi dénommée fabrication additive « SLS », et la fabrication additive par fusion multi-jet, aussi dénommée fabrication additive « MJF », notamment mise en œuvre par la société HP. De préférence, le corps monolithique est obtenu par le procédé selon l’invention. L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre et du dessin annexé, dans lequel est une représentation en perspective d’un exemple de corps d’un échangeur de chaleur selon l’invention, est une vue du corps illustré sur la , seule la face intérieure et les faces des conduits de distribution fluidique étant représentés, est une variante du corps illustré sur la , est une vue partielle d’une section transverse selon le plan (P) du corps de la , est une représentation d’un autre exemple de de corps d’un échangeur selon l’invention, et est une vue du corps de la , seule la face intérieure et les faces des conduits de distribution fluidique étant représentés. Description détaillée On a illustré sur les figures 1 et 2 un exemple d’échangeur thermique 1 selon l’invention. L’échangeur thermique 1 comporte un corps 2 incluant une paroi 3 qui s’étend selon un axe X. La paroi présente une forme en « U », lorsque vue dans une section transverse à l’axe X. La paroi 3 présente une face extérieure 5 et une face intérieure 6. La face intérieure 6 délimite une cavité 7, qui débouche hors du corps par une ouverture 8. Un premier conduit de circulation fluidique 9 et un deuxième circuit de circulation fluidique 10 sont ménagés dans la masse de la paroi 3. La paroi 3 comporte une cloison de fond 11 et deux cloisons latérales 12, 13 qui s’étendent chacune perpendiculairement à partir de la cloison de fond 11. Les cloisons latérales 12, 13 sont opposées l’une à l’autre et séparées par la longueur L de la cavité. La longueur L est par exemple comprise entre 1 cm et 50 cm. La paroi présente une épaisseur e comprise entre 500 µm et 5 mm, qui varie le long de la paroi. Notamment, les cloisons latérales 12,13 présentent chacune un bourrelet 14 à leur extrémité opposée à la paroi de fond, d’épaisseur maximale, et une portion d’épaisseur moindre et constante qui relie le bourrelet à la paroi de fond. Des premier et deuxième fluides peuvent circuler dans les premier 9 et deuxième 10 circuits de circulation fluidique respectivement. Le premier circuit de circulation fluidique 9 s’étend entre une entrée de premier fluide 15 et une sortie de premier fluide 16. Le deuxième 10 circuit de circulation fluidique s’étend entre une entrée de deuxième fluide 17 et une sortie de deuxième fluide 18. Les entrées de premier et de deuxième fluide et les sorties de premier et de deuxième fluide débouchent sur la face extérieure 5 de la paroi. Plus particulièrement, les entrées et les sorties de premier et de deuxième fluide débouchent sur la face extérieure d’une des cloisons latérales 12,13. Dans une variante représentée sur la , les entrées de premier et de deuxième fluide débouchent sur la face extérieure d’une des cloisons latérales, et les sorties de premier et de deuxième fluide débouchent sur la face extérieure de la cloison latérale opposée. Les premier 9 et deuxième 10 conduits de circulation fluidique s’étendent chacun dans la masse de la paroi selon des axes Y, Y’ respectivement sensiblement parallèles sur plus de 50 %de leur longueur. Chacun des premier 9 et deuxième 10 conduits de circulation fluidique présente des portions rectilignes 19, 20. Ces portions rectilignes sont comprises chacune dans des plans perpendiculaires à l’axe X de la paroi et parallèles les unes aux autres. Dans un plan perpendiculaire à l’axe X, le premier 9, respectivement le deuxième 10, conduit de circulation fluidique présente une portion rectiligne 21, 22 dans la cloison de fond reliée à chacune de ses extrémités par une portion courbée et coudée 23, 24 à une portion rectiligne 19, 20 ménagée dans chacune des cloisons latérales opposées. Par ailleurs, les portions rectilignes 19, 20, 21, 22 s’étendent de part en part dans chacune de la cloison de fond 11 et des cloisons latérales 12, 13 respectives. Par ailleurs, le premier 9, respectivement le deuxième 10 conduit de circulation fluidique comporte une autre portion courbée et coudée 25, 26 incluse dans un plan parallèle à l’axe X, afin d’assurer une connexion fluidique entre les parties adjacentes du premier 9, respectivement du deuxième 10 conduit de circulation fluidique qui sont disposées dans des plans parallèles à l’axe X. Ainsi, les premier 9 et deuxième 10 conduits de circulation fluidique suivent un trajet méandriforme en forme de serpentin dans la masse de la paroi. La présente une variante de réalisation du corps illustré sur les figures 1 et 2, dans laquelle les axes Y, Y’ des conduits de circulation fluidiques sont représentés en pointillés. Le corps illustré sur la diffère du corps illustré sur les figures 1 et 2 en ce que les premier 9 et deuxième 10 conduits de circulation fluidique présentent, dans chacune des cloisons de fond et latérales, des portions rectilignes parallèles à l’axe X reliées par une portion coudée à angle droit 21,22 à des portions rectilignes contenues dans un plan transverse à l’axe X. Il diffère en outre par des sorties de premier fluide 16 et de deuxième fluide 18 débouchant sur une face de la cloison latérale 13 opposée à la cloison latérale 12sur laquelle les entrées de premier fluide 15 et de deuxième fluide 17 sont ménagées. La illustre une section transverse de la cloison latérale 12. De préférence, la distance d entre la face intérieure 6 de la paroi 3 et la face interne 27 du ou de l’un des conduits de circulation de fluide 9, 10, est de préférence comprise entre 500 µm et 2 cm, afin d’obtenir un bon compromis entre une faible masse du corps et un échange thermique optimal, tout en assurant une résistance mécanique minimale de la paroi. Par ailleurs, dans la variante où le corps comporte des premier et deuxième conduits de circulation de fluide, la distance d’ entre les premier et deuxième conduits est de préférence comprise entre 50 µm et 10 mm, notamment inférieure ou égale à 5 mm, pour assurer un bon échange de chaleur entre les premier et deuxième fluides. Enfin, les figures 5 et 6 illustrent une troisième variante du corps 2 qui diffère de celui illustré sur la en ce que la paroi présente une forme sensiblement hémisphérique, lorsque vue selon l’axe X. L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation et aux exemples présentés à titre illustratif et non limitatif. Echangeur de chaleur (1) comportant un corps (2) monolithique comportant, voire consistant, en un matériau polymérique, le corps (2) comportant une paroi (3) ayant une face intérieure (6) qui délimite une cavité (7) dont le volume est supérieur au volume de la paroi, au moins un conduit de circulation fluidique (9,10) étant ménagé dans la masse de la paroi, débouchant hors de la paroi par une entrée de fluide (15,17) et une sortie de fluide (16,18), et comportant au moins une portion courbée et/ou coudée (23,24,25,26). Echangeur de chaleur selon la revendication 1, l’épaisseur minimale de la paroi étant comprise entre 500 µm et 5 mm et/ou l’épaisseur maximale de la paroi étant inférieure à 25 mm. Echangeur de chaleur selon l’une quelconque des revendications 1 et 2, la paroi présentant au moins dans une section transverse, une épaisseur qui est inférieure ou égale à 3 fois, de préférence inférieure ou égale à 2 fois, le diamètre du conduit de circulation fluidique. Echangeur de chaleur selon l’une quelconque des revendications précédentes, le conduit de circulation fluidique présentant un diamètre (ϕ) compris entre 1 mm et 10 mm. Echangeur de chaleur selon l’une quelconque des revendications précédentes, le conduit de circulation fluidique comportant une ou plusieurs portions méandriformes, notamment au moins une portion en forme d’un serpentin, ou au moins une portion en forme d’une spirale. Echangeur de chaleur selon l’une quelconque des revendications précédentes, le conduit de circulation fluidique comportant au moins une strate de portions parallèles les unes aux autres qui s’étendent dans un même plan de strate, de préférence parallèle au plan d’extension de la paroi. Echangeur de chaleur selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’entrée de fluide (15,17) et la sortie de fluide (16,18) débouchent sur la face extérieure (5) de la paroi (3). Echangeur de chaleur selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant des premier (9) et deuxième (10) conduits de circulation de fluide pour le transfert de chaleur entre des premier et deuxième fluides respectivement à travers la masse de la paroi (3). Echangeur selon la revendication précédente, les premier et deuxième conduits de circulation de fluide étant séparés sur plus de 50 %, de préférence plus de 80 %, de préférence plus de 95 % de leurs longueurs respectives, d’une distance (d’) comprise entre 50 µm et 10 mm, de préférence entre 0,5 mm et 10 mm, en particulier entre 1 mm et 10 mm. Echangeur de chaleur selon l’une quelconque des revendications précédentes, le corps étant obtenu par une technique de fabrication additive. Echangeur de chaleur selon l’une quelconque des revendications précédentes, le corps (2) étant est un élément d’un moteur d’une automobile ou étant un récipient pour contenir un liquide et/ou une poudre dans la cavité (7).