FR3097627A1

FR3097627A1 - Echangeur thermique à circulation de liquide et connecteur pour un tel échangeur

Info

Publication number: FR3097627A1
Application number: FR1906506A
Authority: FR
Inventors: Lionel Robillon; Frederic TOSON; Vincent JOUBIER; Fabienne Tourneux; Veronique Westermann
Original assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Current assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Priority date: 2019-06-18
Filing date: 2019-06-18
Publication date: 2020-12-25
Anticipated expiration: 2039-06-18
Also published as: FR3097627B1; EP3987240A1; US20220381522A1; WO2020254757A1; CN114364936A

Abstract

Echangeur thermique pourvu d’une plaque de base (10, 10’) et d’un espace de circulation de liquide (15) formé entre une plaque rapportée (20, 20’) sur la plaque de base et la plaque de base, l’échangeur comportant au moins un connecteur fluidique (30, 31, 32), fixé sur la plaque de base ou sur un retour (12) incliné par rapport à la plaque de base (10’) et relié à un canal (21, 22) d’entrée ou de sortie de l’espace de circulation de liquide, ledit connecteur comportant un embout tubulaire (33, 34, 35), de raccordement du dispositif à une tubulure d’un circuit fluidique externe, une embase (36, 37) pourvue d’un évidement (38, 39) dans lequel débouche l’embout tubulaire et d’une embouchure (38a, 39a) de raccordement audit canal, l’évidement formant un passage de fluide entre l’embouchure (38a, 39a) et l’embout (33, 34, 35), pour lequel l’évidement comporte une ouverture sur une face de fixation (40, 40’) du connecteur sur la plaque de base ou sur ledit retour, la plaque de base ou ledit retour formant une paroi de fermeture dudit évidement de l’embase assurant l’étanchéité du passage de fluide. Figure de l’abrégé : Figure 4

Description

Echangeur thermique à circulation de liquide et connecteur pour un tel échangeur

La présente demande est du domaine de la réalisation d’échangeurs thermiques notamment pour des modules de batteries et notamment de modules de batteries de véhicules automobiles et concerne un échangeur thermique à circulation de liquide et un connecteur fluidique pour un tel échangeur.

L’invention est notamment applicable pour toutes les automobiles électriques ou hybrides avec un pack de batteries ou de cellules de batteries.

Lors d’une phase de charge rapide du dispositif de stockage électrique ou cellules de batterie, qui consiste à charger le dispositif de stockage électrique sous une tension et un ampérage élevés, de manière à charger le dispositif de stockage électrique en un temps maximum de quelques dizaines de minutes. Cette charge rapide implique un échauffement du dispositif de stockage électrique qu’il convient de traiter.

Lors de la charge rapide, la puissance dégagée par la batterie est très importante, il s’agit du point dimensionnant pour le système. Pour extraire cette puissance thermique, le plus souvent comprise entre 10 et 20kW, il faut augmenter les surfaces d’échanges entre un fluide caloporteur et les cellules électriques.

Pour ce faire des premiers échangeurs sont disposés sur les boîtiers de packs de batteries et ces échangeurs sont raccordés à un circuit fluidique pourvu d’un ou plusieurs seconds échangeurs dissipant la chaleur dans l’atmosphère. Le raccordement des échangeurs peut être encombrant et réduit l’espace de stockage.

Les modules de batteries comportent en général un châssis dans lequel sont disposées les cellules unitaires des batteries et il est connu de refroidir des modules de batteries au moyen de plaques d’échange de chaleur ou d’échangeurs de chaleur, comportant des panneaux disposés sur le châssis et dans lesquels circule un liquide de refroidissement. Les échangeurs de chaleur sont généralement réalisés au moyen de deux plaques embouties et assemblées ensembles de manière étanche et dans lesquelles sont formés des méandres ou un espace de circulation du liquide. Dans ce cadre, il est connu d’équiper les panneaux d’embouts de raccordement sertis ou soudés sur ou en prolongement des panneaux et qui dépassent des panneaux pour les raccorder au circuit de refroidissement liquide externe.

Le document DE102017202552 donne des exemples d’échangeurs thermiques à plaques embouties et d’embouts de connexion fluidique associés.

Toutefois de tels embouts sont encombrants et, du fait que les panneaux échangeurs sont en général assez fins, que l’espace autour des modules de batteries est compté et qu’il y a lieu de garantir l’étanchéité de tels raccordements, une solution plus compacte est recherchée.

Par ailleurs, dans le domaine des assemblages d’échangeurs et de systèmes de batteries, la demande FR18 52650 au nom de la demanderesse décrit des échangeurs thermiques réalisés sous forme de plaques de refroidissement pourvues d’une plaque plane et d’une plaque emboutie formant un espace de passage de fluide, pourvue d’aspérités pour perturber l’écoulement du fluide au sein de l’échangeur. La connexion des échangeurs avec un circuit fluidique externe se fait avec des embouts soudés sur les plaques embouties qui sont percées pour recevoir les embouts.

Ce document décrit notamment la possibilité d’avoir de tels échangeurs directement au contact d’au moins une région d’une ou plusieurs cellules de batterie lorsqu’un module de stockage d’énergie électrique est placé dans un logement de réception. Dans ce cas, le module ne comporte pas de boitier pour les cellules de batterie.

Une telle solution permet de réduire le volume occupé par le module de stockage d’énergie électrique.

Résumé

La présente demande perfectionne les dispositifs échangeurs thermiques, en proposant un dispositif susceptible de se monter directement au contact de cellules de batteries ou sur un pack de cellules de batteries et pour lequel la place prise par les connexions fluidiques de l’échangeur thermique est réduite pour encore réduire les dimensions d’un module de stockage d’énergie. Pour ce faire, le dispositif de la présente demande prévoit plus particulièrement un échangeur thermique pourvu d’une plaque de base et d’un espace de circulation de liquide formé entre une plaque rapportée sur la plaque de base et la plaque de base, qui comporte au moins un connecteur fluidique, fixé sur la plaque de base ou sur un retour incliné par rapport à la plaque de base et relié à un canal d’entrée ou de sortie de l’espace de circulation de liquide, ledit connecteur comportant un embout tubulaire, de raccordement du dispositif à une tubulure d’un circuit fluidique externe, une embase pourvue d’un évidement dans lequel débouche l’embout tubulaire et d’une embouchure de raccordement audit canal, l’évidement formant un passage de fluide entre l’embouchure et l’embout, pour lequel l’évidement comporte une ouverture sur une face de fixation du connecteur sur la plaque de base ou sur ledit retour, la plaque de base ou ledit retour formant une paroi de fermeture dudit évidement de l’embase assurant l’étanchéité dudit passage de fluide.

Cette réalisation réduit l’encombrement du connecteur fluidique et le positionne au plus près de l’assemblage constitué par la plaque de base et la plaque rapportée.

La plaque rapportée, qui peut être une plaque emboutie, peut notamment être une plaque soudée, collée ou assemblée par brasage sur la plaque de base.

La plaque rapportée peut en particulier être pourvue de méandres formant ledit espace de circulation de liquide.

Selon un premier mode de réalisation, l’embouchure de l’embase du connecteur est réalisée en prolongement de l’ouverture de ladite face de fixation et, une extrémité du canal de la plaque rapportée débouchant en bordure de la plaque de base, le connecteur est fixé en porte à faux sur le retour incliné de sorte que l’embase du connecteur déborde du retour pour aligner l’embouchure de l’embase avec l’extrémité du canal. Dans ce mode de réalisation où la plaque de base comporte un retour incliné, avantageusement le connecteur fluidique ne dépasse pas dans une direction perpendiculaire au plan supérieur de la plaque rapportée.

La plaque de base et le retour incliné peuvent être deux faces sécantes d’un même profilé.

Dans ce cas le profilé peut constituer toute ou partie d’un boîtier recevant des cellules de batteries.

Selon un second mode de réalisation, la face de fixation de l’embase du connecteur est reçue sur la plaque de base, l’embouchure de l’embase s’étend sur une face de l’embase perpendiculaire à la face de fixation de l’embase en communication avec une extrémité du canal de la plaque rapportée.

Dans ce cas, le connecteur peut être positionné directement sur la plaque de base au droit du canal de sortie ou d’entrée de l’espace de circulation.

Pour centrer le connecteur par rapport au canal lors de l’assemblage de l’échangeur, le connecteur fluidique comporte au moins un moyen de centrage de l’embouchure par rapport audit canal.

De préférence, ledit moyen est constitué d’un pion, tige, ou languette s’insérant dans le canal et préférablement constitué de deux pions ou tiges disposés de part et d’autre de l’embouchure et s’engageant dans le canal.

Le connecteur fluidique peut être soudé ou collé en position sur la plaque de base et sur l’extrémité du canal de la plaque rapportée. Ceci permet de réaliser l’échangeur directement en une opération de soudure ou de collage de l’ensemble plaque de base, plaque rapporté et connecteurs d’entrée/sortie.

La présente demande concerne en outre un connecteur fluidique monobloc pour échangeur thermique réalisé par usinage ou moulage qui comporte une embase pourvue d’un évidement et un embout tubulaire débouchant dans l’évidement qui constitue un passage fluidique entre une embouchure de l’embase et un canal de l’embout tubulaire et pour lequel l’embase comporte une face de fixation pourvue d’une ouverture de réalisation de l’évidement.

Un tel connecteur est aisé à fabriquer tant en moulage qu’en usinage dans des tailles différentes.

Selon un premier mode de réalisation, le connecteur étant adapté à se fixer sur un retour incliné par rapport à la plaque de base, et l’embouchure est réalisée à partir d’un prolongement de l’ouverture dans le plan de l’ouverture, l’encadrement de l’embouchure comportant des parois pourvues d’arrondis d’appui sur une arête courbe entre le retour incliné et la plaque de base.

Selon un second mode de réalisation, le connecteur est adapté à se fixer sur la plaque de base et l’embouchure est constituée à partir d’un prolongement de l’ouverture dans un plan perpendiculaire à l’ouverture.

D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :

montre une vue en perspective d’un premier exemple d’une partie de plaque de base, de plaque rapportée et de connecteur assemblés ;

montre une vue perspective éclatée de dessous des éléments de la figure 1 ;

montre une vue en perspective de dessous du connecteur de la figure 1 ;

montre une vue en perspective d’un second exemple d’une partie de plaque de base, de plaque rapportée et de connecteur assemblés ;

montre une vue perspective éclatée de dessous de la plaque de base, de la plaque rapportée et d’une variante de réalisation du connecteur de la figure 4 ;

montre une vue en perspective trois quart arrière du connecteur de la figure 5.

Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l’essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente divulgation, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.

La présente demande prévoit selon les exemples des figures 1 et 4 notamment un échangeur thermique pourvu d’une plaque de base 10, 10’ et d’un espace de circulation de liquide 15 formé entre la plaque de base et une plaque rapportée 20, 20’ sur la plaque de base.

La plaque rapportée comporte selon l’exemple des canaux d’entrée et de sortie 21, 22, 23 qui vont distribuer des méandres 15 de circulation d’un fluide caloporteur entre la plaque rapportée et la plaque de base. Les extrémités des canaux sortent de la plaque rapportée soit, comme représenté en figure 2, au niveau d’une découpe de la plaque rapportée ménageant un espace sur la plaque de base, soit sur un bord périphérique de la plaque rapportée et de la plaque de base comme représenté en figure 4.

De manière similaire à la demande FR18 52650, les canaux d’entrée et de sortie peuvent distribuer un espace sous la plaque de base pourvu de bossages internes de dispersion d’un flux du liquide caloporteur au lieu de méandres.

L’échangeur thermique comporte un connecteur fluidique d’entrée et un connecteur fluidique de sortie qui peut prendre deux configurations qui seront décrites ci-après.

Dans l’exemple des figures 1 à 3, le connecteur fluidique 30, plus particulièrement détaillé en figure 3, comporte une embase 36 prolongeant la sortie du canal et un embout tubulaire 33 s’étendant parallèlement à la plaque rapportée.

Selon l’exemple représenté, l’embout tubulaire 33, qui constitue un tube de sortie ou d’entrée de fluide caloporteur pour l’échangeur thermique, est ovale dans un souci de réduire la hauteur du connecteur. Un embout cylindrique de révolution peut toutefois être aussi être envisagé dans ce mode de réalisation. Cet embout va permettre de connecter l’échangeur à une tubulure d’un circuit fluidique externe relié par exemple à un radiateur en contact avec l’air extérieur au véhicule et éventuellement pourvu d’un ventilateur de refroidissement.

L’embase constitue un passage de liquide entre une embouchure 38a du connecteur et l’embout tubulaire. Toutefois, ce passage n’est pas fermé au niveau du connecteur, ce passage étant réalisé par un évidement 38 démarrant à partir d’une ouverture sur une face 40 de l’embase du connecteur. De cette façon, la fabrication du connecteur est facilitée et, du fait de l’absence de paroi de fermeture du passage, ses dimensions sont réduites.

Par ailleurs la face 40 est une face de fixation du connecteur sur une paroi qui est la plaque de base 10 dans le cas du montage de la figure 1. La plaque de base va ainsi réaliser l’étanchéité du passage constitué par l’évidement 38.

Toujours selon cet exemple et de retour à la figure 3, l’embouchure 38a est constituée à partir d’un prolongement de l’ouverture dans la paroi 40 dans un plan perpendiculaire à cette ouverture.

Selon la figure 2 notamment, l’assemblage de la plaque rapportée 20 et du connecteur 30 se fait sur la plaque de base 10, le connecteur comportant des pions ou tiges 41 qui viennent s’introduire dans l’ouverture du canal 21 pour que l’embouchure 38a de l’embase se positionne correctement en face de l’entrée ou de la sortie du canal.

Une fois cet assemblage réalisé, le connecteur et la plaque rapportée sont soudés par exemple par soudure laser ou collés sur la plaque de base.

La plaque de base, la plaque rapportée et le connecteur peuvent être métalliques, notamment en aluminium ou acier mais aussi en polymère chargé ou en céramique selon les performances d’échange thermique obtenues avec ces matériaux.

Dans l’exemple des figures 4 et 5, la plaque de base 10’ comporte un retour 12 incliné par rapport à la plaque de base. La plaque de base et le retour incliné peuvent être deux parois d’une cornière ou de tout autre type de profilé éventuellement à 90° l’une de l’autre.

Dans ce cas le connecteur 31 peut être fixé sur le retour 12 et relié à un canal 21, 22 d’entrée ou de sortie de l’espace de circulation de liquide qui vient au bord de la plaque de base.

Le connecteur 31 comporte aussi un embout tubulaire tel qu’un embout droit 34 en figure 4 ou un embout 35 pourvu d’un profil 35a, 35b, 35c, 35d assurant une fixation et une étanchéité correctes pour un tuyau raccordé au connecteur comme représenté aux figures 5 et 6.

Comme plus particulièrement représenté en figure 6, le connecteur comporte également une embase 37 pourvue d’un évidement 39, dans lequel débouche l’embout tubulaire, et d’une embouchure 39a de raccordement audit canal.

Ici aussi, l’évidement forme un passage de fluide entre l’embouchure 39a et l’embout 34, 35 toutefois, dans ce mode de réalisation l’embouchure est dans un plan parallèle à l’ouverture de l’évidement et non dans un plan perpendiculaire à cette ouverture. Il est évident pour l’homme du métier que dans un mode de réalisation pour lequel le retour formerait un angle non plat différent de 90° avec la plaque de base, l’embouchure pourrait également s’étendre dans un plan sécant, non perpendiculaire, à l’ouverture de l’évidement.

De cette façon, la face de fixation 40’ du connecteur étant appliquée sur le retour 12, l’embouchure 39a surplombe ce retour pour se positionner en face de l’entrée ou la sortie d’un canal de la plaque rapportée.

Ici c’est le retour qui forme une paroi de fermeture de l’évidement de l’embase et qui assure l’étanchéité du passage de fluide entre l’embouchure et l’embout. Pour raccorder l’embouchure au canal de la plaque rapportée, le connecteur est fixé en porte à faux sur le retour 12 incliné de sorte que l’embase du connecteur déborde du retour incliné pour aligner l’embouchure 39a de l’embase avec l’extrémité du canal 22, 23 de la plaque rapportée débouchant en bordure de la plaque de base 10’.

Selon l’exemple représenté, le retour fait un angle de 90° avec la plaque de base et l’embouchure et l’extrémité du canal sont perpendiculaires à la plaque de base. Dans le cas où le retour ne fait pas un angle de 90° avec la plaque de base, la découpe de l’extrémité du canal peut être réalisée selon un plan parallèle au retour pour s’appliquer sur l’embouchure.

Le connecteur fluidique représenté comporte aussi, de part et d’autre de l’embouchure, des pions ou tiges 41 de centrage de l’embouchure par rapport audit canal. Il est toutefois possible de positionner un unique pion ou une languette pour effectuer le positionnement du connecteur fluidique par rapport au canal.

En outre ce connecteur comporte, au niveau d’un encadrement 42, 44 de l’embouchure, des parois latérales 42 munie d’arrondis 43 destinées à épouser la courbure13 de l’arête entre le retour incliné 12 et la plaque de base 10’ et une paroi supérieure 44 rejoignant l’extrémité de la plaque rapportée au-dessus de cette courbure.

Le connecteur fluidique 31, 32 est soudé ou collé en position sur la plaque de base, le retour et sur l’extrémité du canal de la plaque rapportée en même temps que la plaque rapportée, le montage se faisant comme représenté sur la figure 5 avec les tiges 41 du connecteur introduites dans les terminaisons de canaux 22, 23.

Les diverses variantes de connecteurs fluidiques 30, 31, 32 sont réalisées chacune en une seule pièce monobloc par usinage ou moulage et comportent une embase 36, 37 pourvue d’un évidement 38, 39 et dont la face de fixation 40, 40’ est pourvue d’une ouverture de réalisation de l’évidement reliant l’embouchure de l’embase et le tube de l’embout.

Des avantages des modes de réalisation du dispositif de la présente demande sont :

Dans l’exemple des figures 1 à 3 le connecteur fluidique ne dépasse pas de l’encombrement latéral du module de batterie et apporte peu de surépaisseur par rapport à la plaque rapportée.

Dans l’exemple des figures 4 à 6, le connecteur fluidique n’apporte pas de surépaisseur par rapport à la plaque rapportée qui contient l’espace de circulation du fluide caloporteur.

Dans les deux cas l’absence de paroi de fermeture au niveau du connecteur réduit son épaisseur.

l’étanchéité d’une partie du connecteur fluidique se fait avec la plaque de base ce qui permet de réaliser une pièce à usiner sans renvoi d’angle, ni déformation.

le déport de la connexion avec le circuit fluidique externe se faisant dans la continuité d’un canal de la plaque rapportée, il n’est pas nécessaire de prévoir un trou dans la plaque rapportée et la connexion entre le connecteur fluidique et la plaque rapportée est réalisée par simple emboutissage de la plaque rapportée.

La réalisation du connecteur fluidique qui s’applique sur la plaque de base ou son retour permet l’utilisation d’un procédé de soudure laser afin d’étancher l’ensemble plaque de base/plaque rapportée/connecteur en une seule opération.

L’échangeur est compact et aisément raccordable.

L’invention n’est pas limitée aux exemples représentés et par exemple les deux types de connecteurs et de montage peuvent coexister sur un même échangeur ce qui donne une grande flexibilité pour l’implantation des entrées/sorties des échangeurs. En outre, la sortie des embouts des connecteurs de la figure 6 peut être réalisée sur une autre face de l’embase, par exemple la face du dessous selon la figure 6.

Claims

Echangeur thermique pourvu d’une plaque de base (10, 10’) et d’un espace de circulation de liquide (15) formé entre une plaque rapportée (20, 20’) sur la plaque de base et la plaque de base, caractérisé en ce qu’il comporte au moins un connecteur fluidique (30, 31, 32), fixé sur la plaque de base ou sur un retour (12) incliné par rapport à la plaque de base (10’) et relié à un canal (21, 22) d’entrée ou de sortie de l’espace de circulation de liquide, ledit connecteur comportant un embout tubulaire (33, 34, 35), de raccordement du dispositif à une tubulure d’un circuit fluidique externe, une embase (36, 37) pourvue d’un évidement (38, 39) dans lequel débouche l’embout tubulaire et d’une embouchure (38a, 39a) de raccordement audit canal, l’évidement formant un passage de fluide entre l’embouchure (38a, 39a) et l’embout (33, 34, 35), pour lequel l’évidement comporte une ouverture sur une face de fixation (40, 40’) du connecteur sur la plaque de base ou sur ledit retour, la plaque de base ou ledit retour formant une paroi de fermeture dudit évidement de l’embase assurant l’étanchéité du passage de fluide.
Echangeur thermique selon la revendication 1, pour lequel la plaque rapportée (20, 20’) est une plaque soudée ou collée sur la plaque de base (10, 10’) et pourvue de méandres formant ledit espace de circulation (15) de liquide.
Echangeur thermique selon la revendication 1 ou 2, pour lequel l’embouchure de l’embase du connecteur est réalisée en prolongement de l’ouverture de ladite face de fixation (40’) et pour lequel, une extrémité du canal (22, 23) de la plaque rapportée débouchant en bordure de la plaque de base (10’), le connecteur est fixé en porte à faux sur le retour (12)incliné par rapport à la plaque de base de sorte que l’embase du connecteur déborde dudit retour pour aligner l’embouchure (39a) de l’embase avec l’extrémité du canal (22, 23).
Echangeur thermique selon la revendication 3, pour lequel la plaque de base et le retour incliné sont deux faces sécantes d’un même profilé.
Echangeur thermique selon la revendication 1 ou 2, pour lequel la face de fixation (40) de l’embase (36) du connecteur est reçue sur la plaque de base (10), l’embouchure (38a) de l’embase en communication avec une extrémité du canal (21) de la plaque rapportée s’étendant sur une face de l’embase perpendiculaire à la face de fixation de l’embase.
Echangeur thermique selon l’une quelconque des revendications précédentes, pour lequel le connecteur fluidique comporte au moins un moyen (41) de centrage de l’embouchure par rapport audit canal.
Echangeur thermique selon l’une quelconque des revendications précédentes, pour lequel le connecteur fluidique (30, 31, 32) est soudée, collée ou assemblée par brasage en position sur la plaque de base et/ou l’extension et sur l’extrémité du canal de la plaque rapportée.
Connecteur fluidique (30, 31, 32) monobloc pour échangeur thermique selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est réalisé par usinage ou moulage et comporte une embase (36, 37) pourvue d’un évidement (38, 39) et un embout tubulaire débouchant dans l’évidement qui constitue un passage fluidique entre une embouchure de l’embase et un canal de l’embout tubulaire et pour lequel l’embase comporte une face de fixation pourvue d’une ouverture de réalisation de l’évidement.
Connecteur fluidique selon la revendication 8 pour lequel le connecteur étant adapté à se fixer sur un retour (12) incliné par rapport à la plaque de base, l’embouchure (38b) est réalisée à partir d’un prolongement de l’ouverture dans le plan de l’ouverture, l’encadrement de l’embouchure comportant des parois (42) pourvues d’arrondis (43) d’appui sur une arête courbe (13) entre le retour (12) incliné et la plaque de base (10’).
Connecteur fluidique selon la revendication 8 pour lequel le connecteur étant adapté à se fixer sur la plaque de base, l’embouchure (38a) est constituée à partir d’un prolongement de l’ouverture dans un plan perpendiculaire à l’ouverture.