Brevet FR3145974A1 — publié le 20240823

PROCÉDÉ DE FABRICATION D’ÉCHANGEUR DE CHALEUR PAR PROJECTION DYNAMIQUE À FROID ET ÉCHANGEUR DE CHALEUR ASSOCIÉ L’invention concerne un procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur comprenant au moins un tube (12) de circulation d’un fluide et configuré pour permettre un échange de chaleur entre le fluide circulant dans chaque tube (12) et un profilé entourant chaque tube, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de projection dynamique à froid de poudre métallique sur chaque tube (12) disposé dans un premier moule de sorte à former une première portion (14a) de profilé, une étape de projection dynamique à froid de poudre métallique sur chaque tube (12) disposé dans un deuxième moule (16b) de sorte à former une deuxième portion (14b) de profilé. Figure pour l’abrégé : figure 6 PROCÉDÉ DE FABRICATION D’ÉCHANGEUR DE CHALEUR PAR PROJECTION DYNAMIQUE À FROID ET ÉCHANGEUR DE CHALEUR ASSOCIÉ Domaine technique de l’invention L’invention concerne un procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur, et l’échangeur de chaleur associé. En particulier, l’invention concerne un procédé d’échangeur de chaleur pouvant être de type inox-aluminium, aluminium-aluminium ou autres combinaisons de deux matériaux pour une utilisation dans un contexte aéronautique ou spatial. Arrière-plan technologique Les échangeurs de chaleur utilisés dans le domaine aéronautique ou spatial peuvent prendre la forme d’une enveloppe aussi appelée profilé, de préférence en aluminium, entourant un tube, de préférence en acier inoxydable (couramment appelé inox) dans lequel circule un fluide ou prenant la forme d’un profilé, de préférence en aluminium, droit monobloc et dans lequel un volume creux permet la circulation du fluide, en particulier pour un transfert de chaleur du fluide vers l’extérieur du profilé via le tube et le profilé. Le profilé peut prendre par exemple la forme de plaques enserrant le tube ou d’une pièce présentant un cylindre creux dans lequel le tube est inséré. L’assemblage de l’échangeur est ensuite réalisé par soudage ou brasage des plaques formant l’enveloppe entre lesquelles est agencé le tube. L’utilisation de soudage ou de brasage pour l’assemblage de l’échangeur présente plusieurs inconvénients. En particulier, lorsque l’échangeur final doit comprendre un tube formant un serpentin, le profilé entourant le tube doit être cintré en même temps que le tube pour présenter la forme nécessaire. Ce cintrage du tube et du profilé peut engendrer des risques de fuites et de défauts mécaniques car la forme du profilé n’est pas forcément adaptée à un cintrage. En outre, la difficulté de cintrage du profilé entraîne souvent la nécessité de diviser l’ensemble du circuit de fluide en plusieurs ensemble tube-profilé qui sont raboutés (joints bout à bout) par brasage ou soudage, par exemple soudage orbital. La forme du profilé complique une nouvelle fois la réalisation de ces raboutages et leur difficulté et leur nombre augmente les risques de fuites et de défauts mécaniques. Les inventeurs ont donc cherché une solution permettant de faciliter la fabrication d’échangeurs de chaleurs comprenant un tube entouré d’un profilé, notamment lorsque le circuit de fluide formé par le tube présente une forme à courbure, par exemple un dispositif en serpentin qui est classique dans le domaine des échangeurs. Objectifs de l’invention L’invention vise à fournir un procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur, et un échangeur de chaleur associé. L’invention vise en particulier à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un procédé de fabrication simple et industrialisable. L’invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l’invention, un procédé de fabrication particulièrement adapté aux échangeurs comprenant des tubes cintrés. L’invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l’invention, un procédé de fabrication compatible avec un tube de grande longueur, notamment de longueur supérieure à 3m. L’invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l’invention, un procédé de fabrication de l’échangeur de chaleur limitant les contraintes internes pour éviter les déformations dues aux dilatations différentielles lors de l’assemblage. Pour ce faire, l’invention concerne un procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur comprenant au moins un tube de circulation d’un fluide et configuré pour permettre un échange de chaleur entre le fluide circulant dans chaque tube et un profilé entourant chaque tube, caractérisé en ce qu’il comprend : une étape de pose de chaque tube dans un premier moule entourant au moins en partie chaque tube, une étape de projection dynamique à froid de poudre métallique sur chaque tube disposé dans le premier moule de sorte à former une première portion de profilé entourant au moins une première surface extérieure de chaque tube, une étape de retrait de chaque tube et de la première portion de profilé du premier moule, une étape de pose de chaque tube et de la première portion de profilé dans un deuxième moule entourant au moins en partie chaque tube, une étape de projection dynamique à froid de poudre métallique sur chaque tube disposé dans le deuxième moule de sorte à former une deuxième portion de profilé entourant au moins une deuxième surface extérieure de chaque tube Un procédé de fabrication selon l’invention permet la création d’un profilé directement sur le ou les tubes de circulation de fluide grâce à l’utilisation de la projection dynamique à froid. Le procédé de fabrication permet ainsi d’appliquer le profilé sur le tube quelle que soit la configuration de celui-ci, sans nécessiter d’opération de façonnage du profilé, par exemple en évitant le cintrage ou le raboutage du profilé, en effectuant ces actions en amont sur le tube. La projection dynamique à froid, aussi appelée projection à froid, projection dynamique par gaz froid, projection par gaz froid, projection de poudre à vitesse supersonique, etc. est un procédé de projection de matière sous forme de poudre pour former un revêtement ou pour fabrication additive qui consiste à accélérer au-delà d'une vitesse critique le matériau d’apport sous forme de poudre, à des températures faibles par rapport aux autres techniques de projection de matière sous forme de poudre, généralement entre environ 300 et 1 100 °C. La projection dynamique à froid est fréquemment appelée cold spray en anglais. L’utilisation d’un tube comme base pour la formation du profilé permet également de faciliter la formation du circuit de circulation de fluide, contrairement à une méthode de fabrication uniquement basé sur un procédé de fabrication additive. Pour l’utilisation de l’échangeur fabriqué, le procédé de fabrication comprend avantageusement une étape finale de retrait de chaque tube et des deux portions du profilé du deuxième moule. Si nécessaire, un ou plusieurs autres moules peuvent être utilisés pour former des portions supplémentaires du profilé, en particulier si les deux premières portions de profilé ne recouvrent pas entièrement le tube. Les moules sont par exemple fabriqués en acier traité et peuvent comprendre des moyens d’extraction une fois la projection dynamique à froid terminée, comme par exemple des vis. Les moules utilisés présentent la forme souhaitée à la fois pour correspondre à une forme de section de profilé particulière, mais également pour correspondre à une forme d’échangeur particulière, par exemple un échangeur droit, en serpentin, en spirale, etc. Avantageusement et selon l’invention, le procédé comprend une étape d’application d’un revêtement métallique sur chaque tube avant l’étape de pose de chaque tube dans le premier moule. Selon cet aspect de l’invention, le revêtement métallique permet de faciliter l’adhérence de la poudre métallique projetée sur le tube. Ce revêtement peut en particulier être formé de nickel ou de cuivre. Avantageusement et selon l’invention, l’échangeur de chaleur comprend au moins deux tubes de circulation de fluide, un premier tube et un deuxième tube, et en ce que l’étape de pose dans un premier moule comprend une sous-étape de mise en correspondance d’une ouverture du premier tube avec une ouverture du deuxième tube. Selon cet aspect de l’invention, l’utilisation de plusieurs tubes permet de réaliser des échangeurs plus grand tout en facilitant les opérations réalisées sur chaque tube. En particulier, l’utilisation de plusieurs tubes peut permettre de faciliter les opérations de cintrage, le cintrage d’un seul tube de grande longueur pouvant être impossible selon les contraintes industrielles liées à l’usine, la machine, au tube utilisé et ses contraintes de fabrication, manutention, livraison, etc. ou à la nature du tube lui-même (matériau, dimensions, etc.). La mise en correspondance entre les ouvertures des tubes permet la formation du circuit de circulation de fluide dans le volume intérieur des tubes. Avantageusement et selon l’invention, la sous-étape de mise en correspondance est suivie d’une étape de brasage ou de soudage du premier tube avec le deuxième tube, au niveau des ouvertures mises en correspondance Selon cet aspect de l’invention, le brasage ou le soudage des tubes permet de former le circuit de circulation de fluide avant la création du profilé. Selon une autre variante de l’invention, les tubes mis en correspondance ne sont pas brasés ou soudés, et la projection dynamique à froid formant le profilé permet d’assembler les tubes entre eux, après la sous-étape de mise en correspondance permettant d’assurer la formation du circuit, sans nécessiter de brasage ou soudage du tube au préalable. Le profilé permet l’étanchéité du circuit de circulation de fluide formé par les tubes aux jonctions de ces tubes. Avantageusement et selon l’invention, la poudre métallique projetée lors de chaque étape de projection dynamique à froid est formée de poudre d’aluminium. Selon cet aspect de l’invention, l’aluminium est fréquemment utilisé dans le domaine spatial et aéronautique pour ses propriétés de conductivité thermique, ses propriétés mécaniques et sa légèreté, ce qui en fait un matériau fréquemment utilisé dans les échangeurs thermiques. L’aluminium, sous forme de poudre, est en outre parfaitement compatible avec une projection dynamique à froid. Lorsque le tube est en acier inoxydable, l’échangeur de chaleur ainsi formé est de type couramment appelé alu-inox et lorsque le tube est en aluminium, l’échangeur de chaleur ainsi formé est de type couramment appelé alu-alu. Selon d’autres variantes avantageuses de l’invention, d’autres matériaux sous forme de poudre peuvent être utilisés, par exemple acier, alliages Inconel®, cuivre, etc. Avantageusement et selon l’invention, le procédé comprend une étape préliminaire de cintrage d’au moins un tube, chaque moule étant conformé selon la forme du tube cintré. Selon cet aspect de l’invention, l’obtention de courbure dans l’échangeur est facilitée par le cintrage préalable du tube, par rapport aux procédés de l’art antérieur dans lequel le tube et le profilé étaient cintrés ensemble. En particulier, le cintrage du tube avant pose du profilé est plus simple que le cintrage du tube et du profilé assemblés, ce qui réduit le risque de fuite ou de défaut mécanique de l’échangeur. En outre, le cintrage du tube avant pose du profilé peut être effectué sur des longueurs de tube plus importante que le cintrage du tube et du profilé assemblés, ce qui permet de réduire le nombre de raboutage nécessaire lorsque le circuit formé par le ou les tubes est important. Avantageusement et selon l’invention, le premier moule et le deuxième moule sont configurés pour que le profilé présente une section rectangulaire entourant chaque tube de circulation du fluide. Selon cet aspect de l’invention, la forme rectangulaire du profilé est comparable aux formes obtenues dans les échangeurs de chaleur de l’art antérieur, en particulier formé d’un tube entouré de deux plaques enserrant le tube. Selon d’autres variantes alternatives de l’invention, la section du profilé peut présenter d’autres formes entourant le tube, par exemple circulaire, triangulaire, trapézoïdale, etc. L’invention concerne également un échangeur de chaleur comprenant au moins un tube de circulation d’un fluide et configuré pour permettre un échange de chaleur entre le fluide circulant dans chaque tube et un profilé entourant chaque tube, caractérisé en ce qu’il est obtenu par un procédé de fabrication selon l’invention. Un échangeur selon l’invention présente des risques de fuite et de défauts mécanique inférieur aux échangeurs de l’art antérieur, en particulier car leur fabrication ne nécessite pas de cintrage du profilé qui entraîne des contraintes mécaniques pouvant entrainer des dommages au profilé. Avantageusement et selon l’invention, chaque tube est formé en acier inoxydable et le profilé formé par la poudre métallique projetée dynamiquement à froid est formé en aluminium. L’échangeur ainsi formé est un échangeur de type Alu-Inox. Avantageusement et selon l’invention, chaque tube est formé en aluminium et le profilé formé par la poudre métallique projetée dynamiquement à froid est formé en aluminium. L’échangeur ainsi formé est un échangeur de type Alu-Alu. L’invention concerne également un procédé de fabrication et un échangeur de chaleur caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après. Liste des figures D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles : est une vue schématique de dessus d’un échangeur de chaleur rectiligne obtenu par un procédé de fabrication selon un mode de réalisation de l’invention ; est une vue schématique de face d’un échangeur de chaleur rectiligne obtenu par un procédé de fabrication selon un mode de réalisation de l’invention ; est une vue schématique de côté d’un échangeur de chaleur rectiligne obtenu par un procédé de fabrication selon un mode de réalisation de l’invention ; est une vue schématique de côté d’une première étape de projection dynamique à froid d’un procédé de fabrication selon un mode de réalisation de l’invention ; est une vue schématique de côté d’un échangeur de chaleur en cours de fabrication après la première étape de projection dynamique à froid d’un procédé de fabrication selon un mode de réalisation de l’invention ; est une vue schématique de côté d’une deuxième étape de projection dynamique à froid d’un procédé de fabrication selon un mode de réalisation de l’invention ; est une vue schématique de côté d’un échangeur de chaleur en cours de fabrication après la deuxième étape de projection dynamique à froid d’un procédé de fabrication selon un mode de réalisation de l’invention ; est une vue schématique de côté du premier et du deuxième moule utilisés dans un procédé de fabrication selon un mode de réalisation de l’invention ; est une vue schématique du dessus de tubes d’un échangeur de chaleur en serpentin utilisés dans un procédé de fabrication selon un mode de réalisation de l’invention ; est une vue schématique du dessus d’une première étape de projection dynamique à froid d’un procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur en serpentin selon un mode de réalisation de l’invention ; est une vue schématique du dessus d’une deuxième étape de projection dynamique à froid d’un procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur en serpentin selon un mode de réalisation de l’invention. Description détaillée d’un mode de réalisation de l’invention Sur les figures, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d’illustration et de clarté. En outre, les éléments identiques, similaires ou analogues sont désignés par les mêmes références dans toutes les figures. La , la et la illustrent schématiquement un échangeur 10 de chaleur selon un mode de réalisation de l’invention, respectivement de dessus, de face et de côté. L’échangeur 10 de chaleur comprend un profilé 14, de préférence en aluminium, traversé par un tube 12, de préférence en inox ou en aluminium, formant un circuit de circulation de fluide permettant la circulation d’un fluide, pour un échange de chaleur entre le fluide et le profilé et plus généralement entre le fluide et l’environnement extérieur du profilé. Selon les contraintes de fabrication, le tube 12 peut être formé de plusieurs tubes associés entre eux de sorte à former un tube plus long. Dans ce mode de réalisation, le tube 12 est rectiligne et forme ainsi un échangeur 10 rectiligne. La représente schématiquement de côté une première étape de projection dynamique à froid d’un procédé de fabrication selon un mode de réalisation de l’invention. La représente schématiquement de côté un échangeur 10 de chaleur en cours de fabrication après la première étape de projection dynamique à froid d’un procédé de fabrication selon un mode de réalisation de l’invention. La représente schématiquement de côté une deuxième étape de projection dynamique à froid d’un procédé de fabrication selon un mode de réalisation de l’invention. La représente schématiquement de côté un échangeur 10 de chaleur en cours de fabrication après la deuxième étape de projection dynamique à froid d’un procédé de fabrication selon un mode de réalisation de l’invention. La représente schématiquement de côté le premier moule 16a et le deuxième moule 16b utilisés dans un procédé de fabrication selon un mode de réalisation de l’invention. L’échangeur de chaleur est obtenu par un procédé de fabrication comprenant : une étape de pose de chaque tube 12 dans un premier moule 16a entourant au moins en partie chaque tube. Un tel tube 12 posé dans le premier moule 16a est visible sur la et le premier moule 16a avant la pose du tube est visible sur la . une première étape de projection dynamique à froid de poudre métallique sur chaque tube 12 disposé dans le premier moule 16a de sorte à former une première portion 14a de profilé entourant au moins une première surface extérieure de chaque tube 12. Cette étape de projection dynamique à froid est représenté sur la , où un projecteur 18 dynamique à froid propulse une poudre métallique froide, ici de l’aluminium, à une vitesse supersonique au niveau d’un espace vide du premier moule 16a dans lequel est posé le tube 12. L’espace vide est ainsi rempli d’un revêtement métallique formant la première portion 14a de profilé. une étape de retrait de chaque tube 12 et de la première portion 14a de profilé du premier moule 16a. L’échangeur de chaleur en cours de fabrication suite à ce retrait est visible sur la , où il comprend le tube 12 et la première portion 14a de profilé. une étape de pose de chaque tube 12 et de la première portion 14a de profilé dans un deuxième moule 16b entourant au moins en partie chaque tube 12. Un tel tube 12 et une première portion de profilé posé dans le deuxième moule 16a est visible sur la et le deuxième moule 16b avant la pose du tube et de la première portion de profilé est visible sur la . une étape de projection dynamique à froid de poudre métallique sur chaque tube disposé dans le deuxième moule de sorte à former une deuxième portion de profilé entourant au moins une deuxième surface extérieure de chaque tube. Cette étape de projection dynamique à froid est représenté sur la , où le projecteur 18 dynamique à froid propulse une poudre métallique froide, ici de l’aluminium, à une vitesse supersonique au niveau d’un espace vide du deuxième moule 16b dans lequel est posé le tube 12. L’espace vide est ainsi rempli d’un revêtement métallique formant la deuxième portion 14b de profilé. L’échangeur 10 de chaleur obtenu suite à ces étapes est représenté sur la . L’échangeur 10 comprend ainsi le tube 12 entouré des deux portions 14a et 14b du profilé formant le profilé. Le profilé ainsi obtenu est ici de forme rectangulaire. Selon d’autres modes de réalisation, certaines formes de profilé peuvent nécessiter d’autres étapes de projections dynamiques à froid. Suite à ces étapes, le procédé de fabrication peut comprendre des étapes supplémentaires non décrites, en particulier des étapes connus de finitions telles que l’application de revêtement, un usinage, l’ajout de pièces de support, l’ajout de boitier d’entrée/sortie, etc. Le procédé de fabrication permet également d’obtenir des échangeurs de formes diverses, par exemple des échangeurs dits « en serpentin ». Pour éviter le cintrage du profilé, le procédé comprend une étape préalable de cintrage d’au moins un tube et les moules sont conformés aux tubes cintrés. La représente schématiquement de dessus deux tubes 12a, 12b d’un échangeur de chaleur en serpentin utilisés dans un procédé de fabrication selon un mode de réalisation de l’invention. La représente schématiquement de dessus une première étape de projection dynamique à froid d’un procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur en serpentin selon un mode de réalisation de l’invention ; La représente schématiquement de dessus une deuxième étape de projection dynamique à froid d’un procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur en serpentin selon un mode de réalisation de l’invention. Dans ce mode de réalisation, les deux tubes ont leurs ouvertures mises en correspondance au niveau d’une jonction 20. La jonction 20 est représentée sur la avec un espacement des tubes volontairement exagéré pour des raisons de clarté, les tubes étant très proches ou en contact lors de la fabrication de l’échangeur afin d’éviter les fuites, comme visible notamment sur les figures 10 et 11 où la jonction 20 est représentée par un trait en pointillés. Les tubes 12a et 12b peuvent être assemblés par brasage ou soudage, notamment soudage orbital avant la formation du profilé. Alternativement, comme présenté sur les figures 10 et 11, les tubes peuvent êtres agencés directement dans le premier moule 116b pour une première étape de projection dynamique à froid par un projecteur 18, puis dans le deuxième moule 116b pour la deuxième étape de projection dynamique à froid. Le profilé formé autour de la jonction 20 suite à ces étapes forme ainsi l’étanchéité du circuit de circulation de fluide formé par les tubes 12a, 12b. Les deux moules sont conformées à la forme des tubes après cintrage, en particulier à la forme voulue en serpentin pour l’échangeur de chaleur. L’invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits. En particulier, le profilé et l’échangeur peuvent présenter des formes différentes selon les caractéristiques mécaniques et thermiques souhaitées, ou selon les contraintes d’intégration de l’échangeur à un système complexe, par exemple dans un aéronef ou un satellite. Procédé de fabrication d’un échangeur (10) de chaleur comprenant au moins un tube (12 ; 12a, 12b) de circulation d’un fluide et configuré pour permettre un échange de chaleur entre le fluide circulant dans chaque tube (12 ; 12a, 12b) et un profilé (14) entourant chaque tube, caractérisé en ce qu’il comprend : une étape de pose de chaque tube (12 ; 12a, 12b) dans un premier moule (16a, 116a) entourant au moins en partie chaque tube (12 ; 12a, 12b), une étape de projection dynamique à froid de poudre métallique sur chaque tube (12 ; 12a, 12b) disposé dans le premier moule (16a, 116a) de sorte à former une première portion (14a) de profilé entourant au moins une première surface extérieure de chaque tube (12 ; 12a, 12b), une étape de retrait de chaque tube (12 ; 12a, 12b) et de la première portion (14a) de profilé du premier moule (16a, 116a), une étape de pose de chaque tube (12 ; 12a, 12b) et de la première portion (14a) de profilé dans un deuxième moule (16b, 116b) entourant au moins en partie chaque tube (12 ; 12a, 12b), une étape de projection dynamique à froid de poudre métallique sur chaque tube (12 ; 12a, 12b) disposé dans le deuxième moule (16b, 116b) de sorte à former une deuxième portion (14b) de profilé entourant au moins une deuxième surface extérieure de chaque tube. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’échangeur (10) de chaleur comprend au moins deux tubes (12a, 12b) de circulation de fluide, un premier tube (12a) et un deuxième tube (12b), et en ce que l’étape de pose dans un premier moule (16a, 116a) comprend une sous-étape de mise en correspondance d’une ouverture du premier tube (12a) avec une ouverture du deuxième tube (12b). Procédé de fabrication selon la revendication 2, caractérisé en ce que la sous-étape de mise en correspondance est suivie d’une étape de brasage ou de soudure du premier tube (12a) avec le deuxième tube (12b), au niveau des ouvertures mises en correspondance. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la poudre métallique projetée lors de chaque étape de projection dynamique à froid est formée de poudre d’aluminium. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’il comprend une étape préliminaire de cintrage d’au moins un tube (12a, 12b), chaque moule (116a, 116b) étant conformé selon la forme du tube (12a, 12b) cintré. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le premier moule (16a, 116a) et le deuxième moule (16b, 116b) sont configurés pour que le profilé présente une forme finale présentant une section rectangulaire entourant chaque tube de circulation du fluide. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’il comprend une étape d’application d’un revêtement métallique sur chaque tube avant l’étape de pose de chaque tube dans le premier moule. Échangeur de chaleur comprenant au moins un tube (12, 12a, 12b) de circulation d’un fluide et configuré pour permettre un échange de chaleur entre le fluide circulant dans chaque tube (12, 12a, 12b) et un profilé (14) entourant chaque tube, caractérisé en ce qu’il est obtenu par un procédé de fabrication selon l’une des revendications 1 à 7. Échangeur de chaleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque tube (12, 12a, 12b) est formé en acier inoxydable et en ce que le profilé (14) formé par la poudre métallique projetée dynamiquement à froid est formé en aluminium. Échangeur de chaleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque tube (12, 12a, 12b) est formé en aluminium et en ce que le profilé (14) formé par la poudre métallique projetée dynamiquement à froid est formé en aluminium.