FR3106769A1 - Procédé de fabrication d’un échangeur thermique ou d’un caloduc - Google Patents
Procédé de fabrication d’un échangeur thermique ou d’un caloduc Download PDFInfo
- Publication number
- FR3106769A1 FR3106769A1 FR2001128A FR2001128A FR3106769A1 FR 3106769 A1 FR3106769 A1 FR 3106769A1 FR 2001128 A FR2001128 A FR 2001128A FR 2001128 A FR2001128 A FR 2001128A FR 3106769 A1 FR3106769 A1 FR 3106769A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- powder
- face
- interstices
- projection
- defining
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
- F28D9/0025—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being formed by zig-zag bend plates
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
- C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
- C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
- F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
- F28D15/0233—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes the conduits having a particular shape, e.g. non-circular cross-section, annular
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F2220/00—Closure means, e.g. end caps on header boxes or plugs on conduits
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F2260/00—Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures
- F28F2260/02—Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures having microchannels
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
Procédé de fabrication d’un échangeur thermique ou d’un caloduc
Procédé de fabrication d’un échangeur thermique ou d’un caloduc, comprenant au moins les étapes :
- obtention d’un ensemble comprenant au moins une pièce (53) comportant au moins 90% en masse d’un métal ou un alliage de métaux, la pièce ayant au moins une face (59) définissant une pluralité d’interstices (61) comportant au moins deux bords opposés séparés sur la face par une distance inférieure ou égale à 550 micromètres, la pièce définissant une pluralité de canaux de circulation, chacun des canaux définissant l’un des interstices, et
- projection d’une poudre (91) sur ladite face (59) à l’aide d’un gaz vecteur, obtention d’un matériau par coalescence d’au moins une partie de la poudre, et formation d’une couche comprenant le matériau et adaptée pour boucher les interstices, la poudre comprenant au moins une poudre métallique, ou au moins une poudre métallique et au moins une poudre céramique.
Figure pour l'abrégé : Figure 6
Description
La présente invention concerne un procédé de fabrication d’un échangeur ou d’un caloduc comprenant un ensemble comprenant au moins une pièce comportant au moins 90% en masse d’un métal ou un alliage de métaux, la pièce définissant une pluralité de canaux de circulation pour un ou plusieurs fluides.
L’invention concerne aussi un échangeur ou un caloduc correspondant.
Il est bien connu recourir au brasage pour assembler des pièces, en particulier en vue d’assembler un échangeur thermique ou un caloduc.
En outre, un type connu d’échangeur thermique met en œuvre une pièce constituée d’une feuille métallique repliée sur elle-même en accordéon. Deux plaques fixées de part et d’autrede la feuille métallique définissent des canaux de circulation parallèles entre eux et situés de chaque côté de la feuille métallique. Les extrémités longitudinales des canaux débouchent sur des faces de la feuille en accordéon dans lesquelles les canaux définissent des interstices.
Dans le cas d’un échangeur thermique, les canaux situés d’un côté de la feuille métallique sont parcourus par un fluide froid, tandis que ceux situés de l’autre côté sont parcourus par un fluide chaud. Ainsi, entre deux plaques circulent deux fluides, séparés l'un de l'autre par la feuille métallique et échangeant de la chaleur l'un avec l'autre au travers de la feuille métallique.
Les feuilles en accordéon, et les plaques recouvertes sur leurs deux faces d'un film de brasure sont alternativement empilées les unes sur les autres de façon à constituer un bloc appelé«matrice» ou «ensemble». Cet empilement est ensuite assemblé en une première étape dans un four de brasage. L’ensemble comprend, par exemple, une première et une dernière plaques d’une épaisseur plus importante que les autres plaques.
Pour étanchéifier l’ensemble sur son pourtour, des barres, appelées «barres de fermeture» sont généralement fixées sur la matrice. Des têtes d’alimentation en fluides sont ensuite ajoutées à la matrice pour constituer l'échangeur.
Du fait des différentiels de dilatation entre les pièces, qui empêchent de trop contraindre géométriquement les constituants du futur échangeur, il est généralement pratiqué plusieurs étapes de brasage, entre lesquelles des opérations d'usinage sont réalisées de façon à garantir les jeux entre les pièces. Cette pratique nécessite une grande maîtrise des nuances d’alliages d’apport de façon à ne pas dégrader lors de l’étape suivante les jonctions réalisées à l’étape précédente.
Une première méthode consiste à réaliser, dans un premier temps, un cadre fermé ou semi-ouvert dans lequel on va insérer une feuille en accordéon pour l’assembler par brasage une première fois. Dans un deuxième temps, on assemble par brasage un ensemble de ces cadres afin de constituer la matrice de l’échangeur. Dans un troisième temps, les tubes de connexion des fluides sont brasés sur la matrice.
Une seconde méthode consiste, dans un premier temps, à assembler par brasage l’ensemble des feuilles en accordéon sur l’ensemble des plaques, auxquelles sont jointes éventuellement les barres de fermeture orientées longitudinalement. Dans un deuxième temps, on usine les faces des feuilles en accordéon pour les aligner parfaitement, afin de les assembler par brasage avec les barres de fermetures orientées transversalement. On obtient ainsi la matrice de l’échangeur. Enfin, dans un troisième temps, les tubes de connexion des fluides sont soudés ou brasés sur la matrice.
Par ailleurs, il existe un besoin, dans différents secteurs industriels, tels que l’automobile ou l’aéronautique, de réduire, d’une part, l’encombrement créé par les circuits thermiques et leur masse et, d’autre part, la quantité de fluides impliqués dans les échanges. En effet, ces fluides ont parfois une incidence sur l’environnement, qu’il convient de réduire au maximum.
Les mêmes remarques valent pour des caloducs intégrant de telles feuilles en accordéon ou plus généralement des pièces métalliques comportant des micro-interstices.
Toutefois, plus les échangeurs sont de dimensions réduites, plus la deuxième étape s’avère difficile, c’est-à-dire le brasage des barres de fermeture sur la face des feuilles en accordéon présentant les interstices décrits plus haut, et plus généralement, le bouchage des interstices.
FR 3066935 décrit un procédé de brasage ou de rechargement adapté pour obturer les micro-interstices de telles feuilles en accordéon, afin de réaliser des échangeurs de faibles dimensions. Néanmoins, la mise en œuvre de ce procédé reste onéreuse, car elle nécessite généralement plusieurs passages au four de brasage.
Un but de l’invention est donc de fournir un procédé de fabrication d’un échangeur thermique ou d’un caloduc intégrant une pièce telle que la pièce en accordéon précitée, c’est-à-dire présentant des micro-interstices, en particulier lorsque l’échangeur ou le caloduc est de faibles dimensions.
A cet effet, l’invention concerne un procédé de fabrication d’un échangeur thermique ou d’un caloduc, comprenant au moins les étapes suivantes :
- obtention d’un ensemble comprenant au moins une pièce comportant au moins 90% en masse d’un métal ou un alliage de métaux, la pièce ayant au moins une face définissant une pluralité d’interstices, chacun des interstices comportant au moins deux bords opposés séparés sur la face par une distance maximale inférieure ou égale à 550 micromètres, la pièce définissant une pluralité de canaux de circulation pour des fluides, chacun des canaux de circulation définissant l’un des interstices, et
- projection d’au moins une poudre sur ladite face à l’aide d’un gaz vecteur, obtention d’un matériau par coalescence d’au moins une partie de la poudre, et formation d’une couche comprenant le matériau et adaptée pour boucher les interstices, la poudre comprenantau moins une poudre métallique, ou au moins une poudre métallique et au moins une poudre céramique.
Selon des modes particuliers de réalisation, le procédé comprend l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles:
- la pièce comprend une feuille métallique pliée en accordéon, un bord ondulé de la feuille formant les bords des interstices, les canaux de circulation s’étendant parallèlement à, et de part et d’autre de la feuille;
- ladite au moins une poudre métallique comprend l’un parmi une poudre d’aluminium, une poudre d’acier, une poudre de cuivre, et leurs mélanges;
- ladite au moins une poudre céramique comprend une poudre d’alumine;
- la pièce est en acier inoxydable, la poudre comprenant un mélange d’une poudre de cuivre et d’une poudre d’alumine, ou la pièce est en aluminium, la poudre comprenant une poudre d’aluminium;
- à l’étape de projection, la poudre est projetée selon au moins une direction principale de projection interceptant la face en un point, la direction principale de projection formant un angle compris entre 20° et 70° avec une direction normale à ladite face en ce point;
- l’étape de projection comprend une pluralité de passes successives d’au moins un dispositif de projection de ladite poudre, les passes successives réalisant respectivement un balayage d’au moins une partie de la face et formant une pluralité de couches superposées et comprises dans la couche;
- chacune des couches de ladite pluralité a une épaisseur comprise entre 1 et 500 µm, de préférence entre 25 et 100 µm;
- les passes successives sont réalisées en projetant la poudre cycliquement dans une pluralité de directions principales de projection distinctes les unes des autres, les directions principales de projection formant respectivement des angles compris entre 20° et 70° avec une direction normale à ladite face et étant réparties angulairement autour de la direction;
- la pièce est en acier inoxydable, en cuivre, en aluminium, ou en titane;
- l’étape d’obtention de l’ensemble comprend une sous-étape de fixation de la pièce sur au moins deux plaques, la pièce étant située entre les deux plaques selon une direction; et
- la sous-étape de fixation comprend un brasage de la pièce sur lesdites au moins
deux plaques.
L’invention concerne aussi un échangeur thermique ou un caloduc comprenant :
- un ensemble comprenant au moins une pièce comportant au moins 90% en masse d’un métal ou un alliage de métaux, la pièce ayant au moins une face définissant une pluralité d’interstices, chacun des interstices comportant au moins deux bords opposés séparés sur la face par une distance maximale inférieure ou égale à 550 micromètres, la pièce définissant une pluralité de canaux de circulation pour des fluides, chacun des canaux de circulation définissant l’un des interstices, et
- une couche comprenant un matériau obtenu par coalescence d’au moins une partie d’une poudre projetée à froid sur ladite face, la couche étant adaptée pour boucher les interstices, la poudre projetée comprenant au moins une poudre métallique, ou au moins une poudre métallique et au moins une poudre céramique.
Selon des modes particuliers de réalisation, l’échangeur ou le caloduc sont susceptibles d’être obtenus, ou sont obtenus, par un procédé de fabrication tel que décrit ci-dessus.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels:
En référence aux figures 1 à 3, on décrit un échangeur thermique 1 selon l’invention.
Comme visible sur la figure 1, l’échangeur thermique 1 comprend un ensemble 5 (matrice), et quatre organes 7, 9, 11, 13 pour respectivement apporter un fluide froid F1, récupérer un fluide réchauffé F1’, amener un fluide chaud F2, et récupérer un fluide refroidi F2’ dans une configuration en co-courant.
Le fluide froid F1 est par exemple de l’eau, un mélange d’eau et de glycol ou de l’air, notamment si l’échangeur de chaleur 1 est un condenseur de pompe à chaleur.
Le fluide chaud F2 est par exemple un liquide frigorigène de type HFE (hydrofluoroéther) ou HFO (hydrofluorooléfine), comme c’est le cas dans une pompe à chaleur. Dans le cas du refroidissement de l’huile d’un moteur thermique, le fluide chaud est par exemple l’huile à refroidir.
Si l’échangeur de chaleur 1 est un évaporateur, les natures du fluide froid F1 et du fluide chaud F2 sont par exemple inversées.
Comme visible sur les figures 2 et 3, l’ensemble 5 comprend par exemple quatre étages 15, 17, 19, 21 superposés selon une direction Z par exemple verticale, et deux plaques extrêmes 23, 25 formant respectivement une face supérieure 27 et une face inférieure 29 de l’ensemble.
L’ensemble 5 est par exemple de forme générale parallélépipédique. L’ensemble 5 comporte deux faces latérales 31, 33 (figure 2) opposées selon une direction Y sensiblement perpendiculaire à la direction Z, et deux faces latérales 35, 37 opposées selon une direction X sensiblement perpendiculaire à la direction Z et à la direction Y.
Les faces latérales 31, 33, 35, 37 sont par exemple rectangulaires, et deux d’entre elles consécutives autour de la direction Z forment avantageusement un angle sensiblement droit.
La face latérale 31 comporte par exemple trois entrées E1, E2, E3 pour trois flux F11, F12 et F13 issus du fluide froid F1, et deux sorties S1’, S2’ pour deux flux F21’ et F22’ destinés à former le fluide refroidi F2’.
La face latérale 33 comporte deux entrées (non visibles sur la figure 2 car situées à l’arrière) pour deux flux F21 et F22 issus du fluide chaud F2, et trois sorties (également non visibles sur la figure 2) pour trois flux F11’, F12’ et F13’ destinés à former le fluide réchauffé F1’.
Comme visible sur les figures 2 et 3, les étages 15, 17, 19, 21 sont sensiblement analogues les uns aux autres.
Les entrées et les sorties précitées se présentent par exemple comme des fentes s’étendant selon la direction X sur les faces latérales 31, 33.
Les entrées E1, E2 et E3 sont par exemple alignées selon la direction Z et situées en vis-à-vis de l’organe 7.
Il en va de même pour les entrées situées sur la face latérale 33, si ce n’est qu’elles sont situées en vis-à-vis de l’organe 11.
Les sorties S1’ et S2’ sont par exemple superposées selon la direction Z et situées en vis-à-vis de l’organe 13. Il en va de même pour les sorties situées sur la face latérale 33, si ce n’est qu’elles sont situées en vis-à-vis de l’organe 9.
Les étages 15 à 21 sont formés par des plaques 39, 41, 43, 45, 47 (figure 3) sensiblement perpendiculaires à la direction Z et alternant avec des pièces 49, 51, 53, 55. Dans l’exemple représenté, les pièces 49, 51, 53, 55 sont analogues entre elles, aussi seule la pièce 53 appartenant à l’étage 19 sera décrite ci-après en référence aux figures 3 à 5.
La pièce 53 comprend au moins 90% en masse d’un métal ou d’un alliage métallique. Avantageusement la pièce 53 est en acier inoxydable, par exemple en 316L.
Selon des variantes, la pièce 53 est en cuivre, en aluminium, ou en titane.
La pièce 53 est formée par une feuille métallique 58 repliée sur elle-même en accordéon, dans l’exemple parallèlement à la direction X. La pièce 53 définit une pluralité de canaux de circulation 63 situés au-dessus de la feuille métallique 58 et destinés à recevoir le flux F12, et une pluralité de canaux de circulation 65 situés sous la feuille métallique et destinés à recevoir le flux F22.
La pièce 53 est fixée sur les plaques 43, 45, avantageusement par brasage.
Selon un mode de réalisation particulier, la pièce 53 est collée sur le reste de l’ensemble 5, notamment si celui-ci n’est pas intégralement métallique.
La pièce 53 comporte deux faces 59, 60 opposées selon la direction X, sur lesquelles un bord ondulé 60A de la feuille 58 définit des interstices 61.
Les canaux de circulation 63, 65 sont orientés sensiblement selon la direction X.
Les interstices 61 comportent deux bords 67, 69 (figure 3) opposés selon la direction Y et séparés par une distance maximale D inférieure ou égale à 1 mm, de préférence inférieure ou égale à 250 µm, et par exemple inférieure à 150 µm.
Les plaques 39, 41, 43, 45, 47 sont structurellement analogues les unes aux autres. Les plaques 39, 43, 47 présentent la même orientation dans l’espace, tandis que les plaques 41 et 45 présentent une autre orientation dans l’espace, se déduisant de la première par exemple par une rotation de 180° autour de la direction X.
Chacune des plaques 39, 41, 43, 45, 47 présente par exemple une forme générale rectangulaire en vue selon la direction Z. Chacune des plaques comprend deux découpes 71, 73 (figure 5) par exemple symétriques l’une de l’autre par rapport à un point S situé au centre de la plaque.
Chacune des découpes 71, 73 s’étend dans l’exemple selon la direction Y à partir d’une des faces latérales 31 ou 33 l’ensemble 5, au-dessus ou en-dessous des canaux de circulation 63, 65.
Les plaques 39, 41, 43, 45, 47 sont en métal ou en alliage métallique, par exemple en acier inoxydable, avantageusement en 316L. Les plaques sont fixées respectivement sur les pièces 49, 51, 53, 55, par exemple par un brasage classique.
En variante, les plaques sont en cuivre, en aluminium, ou en titane.
Avantageusement, les plaques sont réalisées dans le même matériau que les pièces 49, 51, 53, 55.
Les organes 7, 9, 11, 13 sont avantageusement analogues les uns aux autres. Aussi, seul l’organe 7 sera décrit en détail ci-après.
L’organe 7 est en métal ou en alliage métallique, par exemple en acier inoxydable, avantageusement en 316L.
En variante, l’organe 7 est en cuivre, en aluminium, ou en titane.
Avantageusement, l’organe 7 est réalisé dans le même matériau que les plaques 39, 41, 43, 45, 47.
L’organe 7 comprend une partie supérieure 79 tubulaire, et une partie inférieure 81 située dans le prolongement de la première partie selon la direction Z et obtenue par découpe selon un plan correspondant à la face supérieure 27 et selon un plan correspondant à la face latérale 31. L’organe 7 comprend en outre un fond 83.
L’échangeur thermique 1 comprend par exemple des couches 85 (dont deux sont représentées sur la figure 5) formées par un matériau 89 obtenu par coalescence d’au moins une partie d’une poudre 91 projetée à froid sur les faces 59, 60 des pièces 49, 51, 53, 55, et éventuellement sur d’autres faces.
Les couches 85 sont adaptées pour boucher les interstices61 sur les faces 59, 60.
Les couches 85 sont structurellement analogues les unes aux autres, aussi seule l’une d’entre elles, située sur la face 59 d’une des pièces 53 sera décrite ci-après en référence à la figure 7.
L’épaisseur totale de la couche 85 est avantageusement comprise entre 0,5mm et 5mm, et est par exemple d’environ 1mm.
La couche 85 est avantageusement formée d’une pluralité de couches 93 superposées selon une direction N normale à la face 59.
Dans l’exemple représenté, la direction normale N est parallèle à la direction X.
Les couches 93 résultent de projections successives de poudre 91, comme cela sera expliqué plus bas.
Dans l’exemple, chacune des couches 93 est formée par le matériau 89 résultant de la coalescence de la poudre 91. Chacune des couches 93 a une épaisseur comprise entre 1 et 500 µm, de préférence entre 25 et 100 µm, et par exemple environ 50 µm.
Le matériau 89 comprend par exemple l’un un parmi l’aluminium, l’acier, le cuivre, et leurs mélanges.
Selon un mode de réalisation particulier, le matériau 89 comprend de l’alumine, par exemple dans une proportion volumique comprise entre 10 et 20%, de préférence 30% environ.
Selon une variante, la pièce 53 est en acier inoxydable, le matériau 89 étant un mélange de cuivre et d’alumine.
Selon une autre variante, la pièce 53 est en aluminium, le matériau 89 étant de l’aluminium.
Avantageusement, l’échangeur thermique 1 comporte d’autres couches (non représentées) obtenues par projection d’une poudre métallique, ou d’un mélange d’une poudre métallique et céramique. Par exemple l’ensemble 5 ou l’échangeur thermique 1 sont recouverts par une ou plusieurs couches (non représentées) obtenues par projection d’une poudre métallique, ou d’un mélange d’une poudre métallique et d’une poudre céramique.
On décrit aussi un caloduc selon l’invention. Celui-ci n’est pas strictement représenté sur les figures, mais s’en déduit facilement. Par exemple, sur la figure 5, on remplace les plaques 43, 45 par des plaques sans découpe. Les canaux de circulation 63, 65 définissent respectivement un espace supérieur situé au-dessus de la pièce 53, et un espace inférieur situé en dessous de la pièce 53. Ces espaces sont fermés selon la direction X par les couches métalliques 85, et selon la direction Y par les plis extrêmes de la pièce 53. Des fluides adaptés, distincts ou non, sont présents dans ces espaces et libres de circuler dans les canaux de circulation 63, 65.
Le caloduc contient un fluide enfermé (via un dispositif de remplissage hermétique, par exemple un piquage réalisé sur la pièce (43)). Il se trouve en position verticale, c’est-à-dire que la direction X est alors verticale. Par exemple, la face 60 est en position haute et la face 59 en position basse.
La face basse 59 est posée sur un objet (non représenté) à refroidir, par exemple un composant électronique dont la température doit être maintenue entre 20 et 30°C.
La chaleur ainsi récoltée au niveau de la face 59 provoque l’ébullition du fluide, en phase liquide dans la partie basse du caloduc. La vapeur se propage jusqu’en partie haute, en direction de la face 60, qui elle-même est refroidie sur sa partie externe par un dispositif réfrigérant/frigorigène. En conséquence, sur cette face 60 supérieure, la vapeur condense et retombe par gravité vers la partie basse. Les changements d’état par évaporations et condensations successives permettent d’extraire une très grande quantité de chaleur de l’objet en contact avec la face 59 dans la partie basse.
Le caloduc est particulièrement efficace, car aussi bien dans la zone basse (évaporation) que dans la zone haute (condensation), le ratio surface d’échange/volume est très important.
La fabrication de l’échangeur thermique 1 va maintenant être décrite. Elle illustre un procédé de fabrication selon l’invention.
On fournit tout d’abord les pièces 49, 51, 53, 55, ainsi que les plaques 39, 41, 43, 45, 47 intercalaires, les plaques extrêmes 23, 25, et les organes 7, 9, 11, 13.
Ces éléments sont empilés comme représenté sur les figures 3 et 4 selon la direction Z, en intercalant entre chacun des feuilles de brasage 87 comme représenté sur la figure 5.
Les feuilles de brasage 87 sont en alliage de brasure, par exemple en alliage BNi-2, ou dans tout autre matériau adapté à la composition des pièces 49, 51, 53, 55 et des plaques 39, 41, 43, 45, par exemple en alliage eutectique cuivre-argent pour braser des pièces en cuivre.
L’assemblage des pièces 49, 51, 53, 55, des plaques 39, 41, 43, 45, 47, des plaques extrêmes 23 et 25, et des feuilles de brasage 87 est réalisé par empilement, et maintenu mécaniquement grâce à un outillage adapté (non représenté).
Puis, on chauffe l’assemblage à une température de brasage pour obtenir l’ensemble 5.
En variante, l’assemblage n’est pas obtenu par brasage, mais par exemple par collage.
Ensuite, pour obtenir les couches 85 décrites plus haut, on projette à froid la poudre 91 sur les faces à recouvrir à l’aide d’un gaz vecteur, comme représenté schématiquement sur la figure 6.
Seule l’obtention de la couche 85 recouvrant la face 59 est décrite ci-après. Les autres couches 85 ou les éventuelles couches analogues mentionnées plus haut (non représentées) sont obtenues de manière analogue.
La projection, ou pulvérisation dynamique, à froid d’une poudre est connue en elle-même de l’homme du métier sous le nom anglais decold spraying, ougas dynamic cold spraying. Les particules de poudre, typiquement de 1 à 50 micromètres de diamètre, sont accélérées dans un jet de gaz supersonique à des vitesses pouvant aller jusqu’à environ 1200 m/s.
Lors de l'impact avec la face 59, les particules subissent une déformation plastique et adhèrent à la surface. L'énergie cinétique des particules, fournie par la détente du gaz, est convertie en énergie de déformation plastique «à froid» signifie ici que les particules sont projetées à l’état solide contre la surface, et que les déformations plastiques sont avant tout dues à l’énergie cinétique que le gaz a transférée aux particules.
On obtient le matériau 89 par coalescence d’au moins une partie de la poudre 91 (aux pertes près), ce qui forme la couche 85.
Le gaz servant à la pulvérisation, par exemple, de l’air, de l’hélium, de l’azote et leurs mélanges, est avantageusement détendu à partir d’une pression comprise entre 5 et 10 bars relatifs (c’est-à-dire en plus de la pression atmosphérique), par exemple environ 8 bars.
La poudre 91 comprendau moins une poudre métallique, ou au moins une poudre métallique et au moins une poudre céramique.
La poudre métallique est par exemple l’un parmi une poudre d’aluminium, une poudre d’acier, une poudre de cuivre, et leurs mélanges.
La poudre céramique est par exemple une poudre d’alumine.
Selon une variante mentionnée plus haut, si la pièce 53 est en acier inoxydable, la poudre 91 est un mélange d’une poudre de cuivre et d’une poudre d’alumine, par exemple à environ 30% en volume.
Selon une variante mentionnée plus haut, si la pièce 53 est en aluminium, la poudre 91 est un mélange de poudre d’aluminium et d’alumine.
L’étape de projection comprend par exemple une pluralité de passes successives d’au moins un dispositif 95 de projection de la poudre 91.
Le dispositif 95 est par exemple le modèle russe 423 DYMET, commercialisé en Europe par la société néerlandaise DYCOMET.
Chacune des passes successives réalise respectivement un balayage de tout ou partie de la face 59 et forme l’une des couches 93. Le balayage est par exemple réalisé selon la direction Y, par exemple en un seul mouvement.
A l’étape de projection, la poudre 91 est avantageusement projetée cycliquement dans quatre directions principales de projection P1, P2, P3, P4 distinctes les unes des autres. A chaque passe, on projette la poudre 91 selon l’une des directions principales de projection P1, P2, P3, P4. Puis, à la passe suivante, on projette la poudre selon la direction suivante parmi les directions principales de projection P1, P2, P3, P4.
Ceci est par exemple réalisé en changeant l’orientation du dispositif 95 de projection à chaque passe, ou bien en utilisant une pluralité de dispositifs de projection (non représentés) respectivement configurés pour projeter la poudre 91 selon les directions principales de projection P1, P2, P3, P4.
En variante (non représentée), une seule direction de projection est utilisée, ou bien deux, trois, ou plus de quatre.
Les directions principales de projection P1, P2, P3, P4 forment respectivement des angles α1, α2, α3, α4 compris entre 20° et 70°, de préférence entre 40° et 50°, et par exemple d’environ 45°, avec une direction N normale à la face 59. Ces gammes d’angles permettent de boucher efficacement les interstices 61 de la face 59.
Les directions principales de projection P1, P2, P3, P4 sont réparties angulairement autour de la direction N, avantageusement régulièrement, c’est-à-dire à environ 90° l’une de l’autre.
Dans l’exemple, les directions P1 et P3 sont orthogonales à la direction Z, et les directions P2 et P4 sont orthogonales à la direction Y.
La présence d’au moins une poudre céramique, en mélange avec au moins une poudre métallique fluidifie l’écoulement des particules de la poudre 91 dans le dispositif 95, et améliore l’accroche des particules sur la face 59 par un autosablage.
Ainsi, les interstices 61 sont obturés de manière simple et avantageuse.
Les organes 7, 9, 11, 13 sont ensuite fixés sur l’ensemble 5 par brasage, soudure, collage ou tout autre procédé adapté à l’échangeur thermique 1.
Selon une variante, les organes 7, 9, 11, 13 sont fixés sur l’ensemble 5 pendant l’opération d’assemblage, avant la ou les étapes de dépôt de la couche obturatrice 85 par projection de poudres métalliques ou mélange de poudres métalliques et céramiques.
Optionnellement, d’autres étapes analogues d’étanchéification par projection d’une ou plusieurs poudres sont réalisées pour parachever l’échangeur thermique 1.
Le caloduc décrit plus haut est fabriqué de manière analogue. Il est par exemple composé de cinq pièces: une feuille pliée en accordéon (53), deux plaques de distribution 43 et 45 dotées d’ouverture 71 fermées sur leur bord extérieur et de deux plaques extrêmes 23 et 25. Dans un premier temps, les pièces 23, 25, 43, 45 et 53 sont assemblées par brasage, de manière analogue au cas de l’échangeur. Dans un deuxième temps, les faces (59) et (60) sont obturées par projection de poudres métalliques ou mélange de poudres métalliques et céramiques formant un dépôt étanche. Dans un troisième temps, les plaques extrêmes 23 et 25 sont percées pour permettre la fixation par soudage ou brasage de tubes servant au remplissage du fluide. Cette dernière opération peut aussi avoir lieu avant l’étape de dépôt ou de brasage.
Le fonctionnement de l’échangeur thermique 1 se déduit de sa structure et va maintenant être brièvement décrit.
Le fluide froid F1 (figure 1) pénètre dans l’organe 7. Le fluide froid F1 s’écoule le long de la face latérale 31 de l’ensemble 5 et se divise en les flux F11, F12 et F13 (figure 2).
Les flux F11, F12 et F13 entrent dans l’ensemble 5 par les entrées E1, E2, E3.
Le flux F12 s’écoule sensiblement selon la direction Y dans la découpe 73 de la plaque 43 qui joue le rôle de distributeur (figure 5). Le flux F12 pénètre alors dans les canaux de circulation 63 (supérieurs) de la pièce 53 et dans les canaux de circulation 65 (inférieurs) de la pièce 51 (figure 3). A mesure qu’il s’écoule dans la direction X dans les canaux de circulation 63, 65, le fluide froid échange de la chaleur avec le fluide chaud F2 situé respectivement de l’autre côté de chacune des pièces 51, 53, et se refroidit et devient le flux F12’. Le flux F12’ sort de l’ensemble 5 par la face 33 au niveau de la découpe 71 de la plaque 43.
De même, les flux F11 et F13 s’écoulent au travers de l’ensemble 5 depuis la face latérale 31 jusqu’à la face latérale 33 en échangeant de la chaleur à co-courant avec les flux F21 et F22.
Une fois réchauffés, les flux F11, F12, F13 deviennent des flux réchauffés F11’, F12’ et F13’ qui débouchent dans l’organe 9 et se combinent pour former le fluide réchauffé F1’.
De même, le fluide chaud F2 pénètre dans l’organe 11 et se divise en les flux F21 et F22 qui entrent dans l’ensemble 5 par la face latérale 33.
Par exemple, comme visible sur la figure 4, le flux F22 pénètre par la découpe 73 de la plaque 45 et entre dans les canaux 65 (inférieurs) définis par la pièce 53 et dans les canaux 63 de la pièce 55. Les flux F21 et F22 se refroidissent par échange thermique à travers les pièces 49, 51 d’une part et 53, 55 d’autre part et ressortent sous la forme de flux refroidis F21’ et F22’. Les flux F21’ et F22’ se combinent dans l’organe 13 pour former le fluide refroidi F2’.
Ainsi, grâce aux caractéristiques décrites ci-dessus, le procédé permet la fabrication de l’échangeur thermique 1 ou du caloduc décrit ci-dessus, en traitant les pièces 49, 51, 53, 55 présentant les micro-interstices 61. Ceci permet en particulier de donner de faibles dimensions à l’échangeur thermique 1 ou au caloduc décrit ci-dessus.
En outre, le procédé permet la fabrication de l’échangeur thermique 1 ou du caloduc en minimisant le nombre d’étapes de brasage. Ceci permet d’obtenir des échangeurs de faibles dimensions, à coût réduit, et possiblement en une seule étape de brasage.
La caractéristique optionnelle selon laquelle la poudre 91 est projetée selon au moins une direction principale de projection P1 un angle compris entre 20° et 70° avec la direction N normale à la face 59 permet de réduire la durée de la projection de poudre.
La caractéristique optionnelle selon laquelle les passes successives sont réalisées en projetant la poudre 91 cycliquement dans une pluralité de directions principales de projection distinctes les unes des autres formant respectivement des angles compris entre 20° et 70° avec la direction N et réparties angulairement autour de la direction normale N permet d’améliorer l’homogénéité du dépôt 85 et de s’adapter à quelques rugosités mineures de la face 59 à étanchéifier.
Claims (10)
- Procédé de fabrication d’un échangeur thermique (1) ou d’un caloduc, comprenant au moins les étapes suivantes :
- obtention d’un ensemble (5) comprenant au moins une pièce (53) comportant au moins 90% en masse d’un métal ou un alliage de métaux, la pièce (53) ayant au moins une face (59) définissant une pluralité d’interstices (61), chacun des interstices (61) comportant au moins deux bords opposés (67, 69) séparés sur la face (59) par une distance maximale (D) inférieure ou égale à 550 micromètres, la pièce (53) définissant une pluralité de canaux de circulation (63, 65) pour des fluides (F1, F2), chacun des canaux de circulation (63, 65) définissant l’un des interstices (61), et
- projection d’au moins une poudre (91) sur ladite face (59) à l’aide d’un gaz vecteur, obtention d’un matériau (89) par coalescence d’au moins une partie de la poudre (91), et formation d’une couche (85) comprenant le matériau (89) et adaptée pour boucher les interstices(61), la poudre (91) comprenantau moins une poudre métallique, ou au moins une poudre métallique et au moins une poudre céramique. - Procédé selon la revendication 1, dans lequel la pièce (53) comprend une feuille (58) métallique pliée en accordéon, un bord ondulé (60A) de la feuille (58) formant les bords (67, 69) des interstices (61), les canaux de circulation (63, 65) s’étendant parallèlement à, et de part et d’autre de la feuille (58).
- Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ladite au moins une poudre métallique comprend l’un parmi une poudre d’aluminium, une poudre d’acier, une poudre de cuivre, et leurs mélanges.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ladite au moins une poudre céramique comprend une poudre d’alumine.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel:
- la pièce (53) est en acier inoxydable, la poudre (91) comprenant un mélange d’une poudre de cuivre et d’une poudre d’alumine, ou
- la pièce (53) est en aluminium, la poudre (91) comprenant une poudre d’aluminium. - Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel, à l’étape de projection, la poudre (91) est projetée selon au moins une direction principale de projection (P1) interceptant la face (59) en un point (O), la direction principale de projection (P1) formant un angle (α1) compris entre 20° et 70° avec une direction (N) normale à ladite face (59) en ce point (O).
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l’étape de projection comprend une pluralité de passes successives d’au moins un dispositif (95) de projection de ladite poudre (91), les passes successives réalisant respectivement un balayage d’au moins une partie de la face (59) et formant une pluralité de couches (93) superposées et comprises dans la couche (85).
- Procédé selon la revendication 7, dans lequel chacune des couches (93) de ladite pluralité a une épaisseur comprise entre 1 et 500 µm, de préférence entre 25 et 100 µm.
- Procédé selon la revendication 7 ou 8, dans lequel les passes successives sont réalisées en projetant la poudre (91) cycliquement dans une pluralité de directions principales de projection (P1, P2, P3, P4) distinctes les unes des autres, les directions principales de projection (P1, P2, P3, P4) formant respectivement des angles (α1, α2, α3, α4) compris entre 20° et 70° avec une direction (N) normale à ladite face (59) et étant réparties angulairement autour de la direction (N).
- Échangeur thermique (1) ou caloduc comprenant :
- un ensemble (5) comprenant au moins une pièce (53) comportant au moins 90% en masse d’un métal ou un alliage de métaux, la pièce (53) ayant au moins une face (59) définissant une pluralité d’interstices (61), chacun des interstices (61) comportant au moins deux bords opposés (67, 69) séparés sur la face (59) par une distance maximale (D) inférieure ou égale à 550 micromètres, la pièce (53) définissant une pluralité de canaux de circulation (63, 65) pour des fluides (F1, F2), chacun des canaux de circulation (63, 65) définissant l’un des interstices (61), et
- une couche (85) comprenant un matériau (89) obtenu par coalescence d’au moins une partie d’une poudre (91) projetée à froid sur ladite face (59), la couche (85) étant adaptée pour boucher les interstices(61), la poudre (91) projetée comprenant au moins une poudre métallique, ou au moins une poudre métallique et au moins une poudre céramique.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2001128A FR3106769B1 (fr) | 2020-02-05 | 2020-02-05 | Procédé de fabrication d’un échangeur thermique ou d’un caloduc |
| PCT/EP2021/052389 WO2021156233A1 (fr) | 2020-02-05 | 2021-02-02 | Procédé de fabrication d'un échangeur thermique ou d'un caloduc |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2001128 | 2020-02-05 | ||
| FR2001128A FR3106769B1 (fr) | 2020-02-05 | 2020-02-05 | Procédé de fabrication d’un échangeur thermique ou d’un caloduc |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3106769A1 true FR3106769A1 (fr) | 2021-08-06 |
| FR3106769B1 FR3106769B1 (fr) | 2023-03-10 |
Family
ID=70918558
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR2001128A Active FR3106769B1 (fr) | 2020-02-05 | 2020-02-05 | Procédé de fabrication d’un échangeur thermique ou d’un caloduc |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR3106769B1 (fr) |
| WO (1) | WO2021156233A1 (fr) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110272122A1 (en) * | 2010-05-04 | 2011-11-10 | Brayton Energy Canada, Inc. | Method of making a heat exchange component using wire mesh screens |
| US20130112383A1 (en) * | 2010-07-09 | 2013-05-09 | Nhk Spring Co., Ltd. | Method of manufacturing plate with passage, plate with passage, temperature adjustment plate, cold plate, and shower plate |
| US20140209202A1 (en) * | 2011-08-09 | 2014-07-31 | Nhk Spring Co., Ltd. | Member with flow passage and method for manufacturing the same |
| FR3066935A1 (fr) | 2017-06-01 | 2018-12-07 | Stiral | Procede de brasage ou rechargement d'une piece a micro-interstices, et echangeur thermique obtenu par un tel procede. |
-
2020
- 2020-02-05 FR FR2001128A patent/FR3106769B1/fr active Active
-
2021
- 2021-02-02 WO PCT/EP2021/052389 patent/WO2021156233A1/fr unknown
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110272122A1 (en) * | 2010-05-04 | 2011-11-10 | Brayton Energy Canada, Inc. | Method of making a heat exchange component using wire mesh screens |
| US20130112383A1 (en) * | 2010-07-09 | 2013-05-09 | Nhk Spring Co., Ltd. | Method of manufacturing plate with passage, plate with passage, temperature adjustment plate, cold plate, and shower plate |
| US20140209202A1 (en) * | 2011-08-09 | 2014-07-31 | Nhk Spring Co., Ltd. | Member with flow passage and method for manufacturing the same |
| FR3066935A1 (fr) | 2017-06-01 | 2018-12-07 | Stiral | Procede de brasage ou rechargement d'une piece a micro-interstices, et echangeur thermique obtenu par un tel procede. |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| FARJAM ASLAN ET AL: "Influence of Alumina Addition to Aluminum Fins for Compact Heat Exchangers Produced by Cold Spray Additive Manufacturing", JOURNAL OF THERMAL SPRAY TECHNOLOGY, ASM INTERNATIONAL, MATERIALS PARK, US, vol. 24, no. 7, 10 September 2015 (2015-09-10), pages 1256 - 1268, XP035602232, ISSN: 1059-9630, [retrieved on 20150910], DOI: 10.1007/S11666-015-0305-4 * |
| JAMIL ASSAAD ET AL: "Novel Stacked Wire Mesh Compact Heat Exchangers Produced Using Cold Spray", JOURNAL OF THERMAL SPRAY TECHNOLOGY, SPRINGER US, BOSTON, vol. 20, no. 6, 25 June 2011 (2011-06-25), pages 1192 - 1200, XP019985059, ISSN: 1544-1016, DOI: 10.1007/S11666-011-9663-8 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR3106769B1 (fr) | 2023-03-10 |
| WO2021156233A1 (fr) | 2021-08-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| WO2007042698A1 (fr) | Procede de vaporisation et/ou de condensation dans un echangeur de chaleur | |
| CN1813166A (zh) | 用于制造钎焊热交换器的方法和热交换器设备 | |
| WO2012160267A1 (fr) | Alliages pour tube d'échangeur thermique à placage interne protecteur et à perturbateur brasé | |
| FR2928449A1 (fr) | Dispositif d'echange de chaleur et procede de fabrication d'un element d'echange de chaleur pour un dispositif d'echange de chaleur | |
| EP3630403B1 (fr) | Procédé de brasage ou rechargement d'une pièce à micro-interstices, et échangeur thermique obtenu par un tel procédé | |
| WO2019122651A1 (fr) | Element intercalaire a texturation de surface, echangeur de chaleur et procede de fabrication associes | |
| WO2007101817A1 (fr) | Echangeur de chaleur, en particulier refroidisseur de gaz, comportant deux nappes de tubes reliées | |
| WO2018197776A1 (fr) | Echangeur de chaleur à jonction d'ondes améliorée, installation de séparation d'air associée et procédé de fabrication d'un tel échangeur | |
| FR3106769A1 (fr) | Procédé de fabrication d’un échangeur thermique ou d’un caloduc | |
| EP3728977B1 (fr) | Echangeur de chaleur avec elements et plaques a texturation de surface | |
| EP3887743B1 (fr) | Procédé de fabrication d'un échangeur thermique ou d'un caloduc | |
| FR2953919A1 (fr) | Echangeur de chaleur en aluminium brase | |
| WO2020221748A1 (fr) | Elément pour échangeur de chaleur ou caloduc, et procédé de fabrication | |
| WO2019122663A1 (fr) | Element intercalaire a texturation de surface, echangeur de chaleur comprenant un tel element | |
| FR2995073A1 (fr) | Element d'echangeur pour echangeur de chaleur, echangeur de chaleur comprenant un tel element d'echangeur et procede de fabrication d'un tel element d'echangeur | |
| EP0445006A1 (fr) | Echangeur de chaleur à écoulement circulaire | |
| EP3728978B1 (fr) | Echangeur de chaleur avec éléments intercalaires superposés | |
| EP3394544B1 (fr) | Échangeur thermique, notamment pour véhicule automobile | |
| EP3394545B1 (fr) | Échangeur thermique, notamment pour vehicule automobile | |
| FR2883783A1 (fr) | Procede de fabrication d'un echangeur de chaleur brase, notamment pour vehicules automobiles, et echangeur ainsi obtenu | |
| EP4325155A1 (fr) | Caloduc à section transversale non cylindrique, comprenant un évaporateur à structure d'interface vapeur/liquide améliorée afin d'augmenter la limite d'ébullition | |
| FR3034184A1 (fr) | Boite collectrice pour echangeur thermique a faisceau de tubes | |
| WO2020174172A1 (fr) | Méthode de fabrication d'un appareil d'échange de chaleur et de matière | |
| FR3076894A1 (fr) | Echangeur de chaleur tritherme | |
| FR3099240A1 (fr) | Echangeur de chaleur notamment pour véhicule automobile et procédé de fabrication d’un tel échangeur de chaleur |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 2 |
|
| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20210806 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 3 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 4 |