FR3121059A1 - Procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur et échangeur de chaleur obtenu par un tel procédé - Google Patents

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Abstract

Procédé de fabrication d’un échangeur (100) de chaleur comprenant : - une étape de formation d’un corps (1) principal comprenant au moins un circuit pour un fluide caloporteur et deux extrémités ouvertes, - une étape de fermeture d’au moins une des deux extrémités, dans lequel l’étape de fermeture d’au moins une des deux extrémités comprend une opération de soudage par friction malaxage par transparence. Figure pour l’abrégé : figure 1

Description

Procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur et échangeur de chaleur obtenu par un tel procédé
DOMAINE DE L’INVENTION
La présente invention se rapporte au domaine des échangeurs de chaleurs à fluide caloporteur, et plus particulièrement à la fabrication de tels échangeurs de chaleur.
ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE
De manière connue, un fluide caloporteur circule dans un circuit entre deux parois de l’échangeur de chaleur, les parois permettant le transfert de chaleur entre l’environnement extérieur et le fluide caloporteur, dans un sens ou dans l’autre.
La conductivité thermique des parois assurant le transfert de chaleur est un point clé des échangeurs de chaleur. C’est pourquoi il est connu d’utiliser l’aluminium ou un alliage à base d’aluminium, pour fabriquer les parois de l’échangeur de chaleur.
Une technique répandue est alors l’extrusion, permettant de filer en une opération les parois et le circuit de l’échangeur de chaleur. Le corps ainsi obtenu est ouvert à ses deux extrémités.
Parmi les échangeurs de chaleur, un type particulier est la plaque froide, dont la forme plane, de faible épaisseur lui permet d’être par exemple montée sur un dispositif à refroidir tel qu’un composant électronique, des batteries, ou un circuit d’huile dans un moteur.
Le document US20190288353 décrit un exemple d’un échangeur de chaleur de type plaque froide, obtenu par extrusion et soudage.
Le document US10359239 décrit un échangeur de chaleur comprenant un corps extrudé munis des passages pour un fluide caloporteur. Une extrémité du corps extrudé est alors fermée par un bouchon soudé par friction malaxage.
Le soudage par friction malaxage est un procédé de soudage par voie solide, sans apport de matière, ni changement à l’état liquide des matériaux, mais en mélangeant les matériaux de deux pièces à souder, réalisable à l’aide d’une machine-outil portant une tête de soudage. La soudure qui en résulte présente des caractéristiques améliorées par rapport aux techniques dites classiques de soudage, notamment en termes de résistance mécanique et d’étanchéité.
Le principe du soudage par friction malaxage consiste à faire pénétrer un pion de la tête de soudage par rotation et en exerçant une pression axiale à la jonction des deux pièces. Le pion est surmonté d’un épaulement, qui vient en butée contre les pièces à souder. La tête de soudage est ensuite déplacée à force le long du joint de soudure. La rotation du pion échauffe les matériaux, les rendant pâteux, et assure leur mélange au fur et à mesure du déplacement de la tête.
L’épaulement permet à la fois de guider le flux de matériau qui tend à s’écouler en dehors du joint de soudure et d’exercer une pression sur le joint de soudure pour garantir ses propriétés.
A cet effet, il a été déterminé que le diamètre de l’épaulement doit être au moins égal à deux fois le plus grand diamètre du pion.
Dans le cas de la fabrication de l’échangeur de chaleur, il en résulte que pour pouvoir souder le bouchon à l’extrémité, comme dans US10359239, l’épaulement doit pouvoir reposer totalement à l’extrémité en question. A cet effet, l’épaisseur des parois du corps extrudé doit être suffisante, et dépend donc de l’épaisseur du bouchon : l’épaisseur des parois doit être au moins égale à la moitié de l’épaisseur du bouchon.
Or, afin d’améliorer le rendement de transfert de chaleur, les parois doivent être les plus minces possibles.
Il existe donc un besoin pour un nouveau procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur surmontant notamment les problèmes précités, et en particulier s’affranchissant la limitation sur la réduction de l’épaisseur des parois.
Ainsi, selon un premier aspect, l’invention se rapporte à un procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur, en particulier de type plaque froide, comprenant :
  • une étape de formation d’un corps principal comprenant au moins un circuit pour un fluide caloporteur et deux extrémités ouvertes,
  • une étape de fermeture d’au moins une des deux extrémités.
L’étape de fermeture d’au moins une des deux extrémités comprend une opération de soudage par friction malaxage par transparence réalisée à l’aide d’au moins une tête de soudage présentant un pion de soudage surmonté d’un épaulement l’opération de soudage comprenant :
  • la traversée par le pion de soudage d’une première paroi jusqu’à ce que l’épaulement vienne en butée contre une surface externe de ladite première paroi, le pion ayant alors également pénétré au moins une deuxième paroi, au moins la première paroi comprenant une paroi du corps principal ;
  • le déplacement de la tête de soudage par guidage de l’épaulement sur la surface externe le long d’un chemin de soudure déterminé ;
  • le retrait du pion.
La technique de soudage par friction malaxage assure une fermeture étanche aux extrémités du corps principal. En l’appliquant par transparence, l’épaisseur de ses parois peut être considérablement réduite, cette réduction n’étant pas limitée par exemple par l’épaisseur d’un bouchon. Les performances en termes de conductivité thermique pour l’échangeur de chaleur s’en trouvent améliorées.
Selon un mode de réalisation, l’étape de formation du corps principal peut comprendre une opération d’extrusion. Le corps principal comprenant des canaux formant le circuit du fluide caloporteur peut ainsi être formé à moindre coût et simplement, en grande quantité, par extrusion puis découpe.
Selon un mode de réalisation, la deuxième paroi peut comprendre également une paroi du corps principal, différente de la première paroi. L’étape de fermeture peut comprendre en outre une opération d’emboutissage dans laquelle la première paroi et la deuxième paroi sont amenées l’une contre l’autre, à distance du circuit du fluide caloporteur, pour fermer la au moins une extrémité. L’opération de soudage peut comprendre la traversée par le pion de soudage de la première paroi jusqu’à ce que l’épaulement vienne en butée contre une surface externe, le pion ayant alors également pénétré la deuxième paroi.
Selon un mode de réalisation, l’étape de fermeture d’au moins une extrémité peut comprendre la mise en place d’au moins un bouchon fermant l’extrémité. La deuxième paroi comprend alors le bouchon, et l’opération de soudage comprend la traversée par le pion de soudage de la première paroi jusqu’à ce que l’épaulement vienne en butée contre une surface externe de la première paroi, le pion ayant alors également pénétré le bouchon.
Que ce soit avec ou sans bouchon, l’extrémité ainsi fermée est parfaitement étanche et la tenue mécanique de la soudure est élevée. L’épaisseur des parois du corps principal peut être particulièrement fine, sans contrainte liée aux dimensions de l’outil de soudage.
Selon un mode de réalisation, l’opération de soudage peut comprendre la traversée par un pion de soudage d’une autre paroi du corps principal, opposée à la première paroi, jusqu’à ce qu’un épaulement surmontant le pion vienne en butée contre une surface externe de l’autre paroi du corps principal, le pion ayant alors également pénétré le bouchon.
Le soudage est alors réalisé en deux passes, augmentant la qualité de la soudure. Le fait que la deuxième passe peut malaxer des matériaux déjà malaxés pendant la première passe est sans incidence.
Selon un mode de réalisation, le circuit de fluide caloporteur peut comprendre au moins deux canaux s’étendant entre les deux extrémités, et l’étape de formation de corps principal comprend l’usinage d’au moins une chambre de jonction des deux canaux.
Le circuit peut en pratique comprendre une pluralité de canaux, et des chambres de jonction peuvent facilement être usinées afin de les relier en série et/ou en parallèle, l’opération de soudage par friction malaxage par transparence convenant parfaitement à n’importe quelle configuration des canaux.
Selon un mode de réalisation le corps principal est en aluminium ou en alliage d’aluminium. Le cas échéant, le bouchon peut également être en aluminium ou en alliage d’aluminium. L’aluminium et ses alliages sont connus pour leurs capacités de conductivité thermique particulièrement adaptées aux échangeurs de chaleur.
Selon un mode de réalisation, l’échangeur de chaleur est une plaque froide. En effet, la faible épaisseur des parois rend l’échangeur de chaleur particulièrement adapté à cette application.
Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un échangeur de chaleur obtenu par le procédé de fabrication tel que présenté ci-dessus, dans lequel le corps principal est délimité par des parois d’épaisseur inférieure ou égale à 5mm, voire inférieure ou égale à 2mm.
Selon un mode de réalisation, lorsqu’un bouchon est utilisé pour fermer une extrémité, l’épaisseur des parois du corps principal peut être inférieure à la moitié de l’épaisseur du bouchon, ce qui n’est pas atteignable par la technique de soudage par friction malaxage classique.
Des modes de réalisation de l’invention seront décrits ci-dessous par référence aux dessins, décrits brièvement ci-dessous :
représente une vue schématique de dessus d’exemple d’un échangeur de chaleur de type plaque froide
représente une vue en coupe longitudinale d’un premier exemple d’un corps obtenu après notamment extrusion, coupe et usinage de chambres de jonction pour relier les canaux en parallèle, pour la plaque froide de la .
représente une vue d’un côté d’une extrémité ouverte du corps de la .
représente une étape de fermeture par soudage d’une extrémité du corps des figures 2 et 3 selon un premier mode de réalisation à l’aide d’un bouchon.
représente une étape de fermeture d’une extrémité du corps de la selon une variante du premier mode de réalisation de la .
représente une vue en coupe longitudinale d’un deuxième exemple d’un corps obtenu après notamment extrusion, coupe et usinage de chambres de jonction pour relier les canaux en série, pour la plaque froide de la .
représente une étape de fermeture des extrémités du corps de la selon le premier mode de réalisation, dans laquelle chaque extrémité étant fermée à l’aide de plusieurs bouchons.
est une vue similaire à la , pour une variante de réalisation du corps de la , dans lequel les canaux sont reliés en série, et dans lequel chaque extrémité est fermée à l’aide d’un seul bouchon.
est une vue de détail de la selon le cercle IX.
représente l’étape de fermeture pour un corps similaire à celui de la , selon un deuxième mode de réalisation.
Sur les dessins, des références identiques désignent des objets identiques ou similaires.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
Sur la , il est représenté de manière schématique un échangeur 100 de chaleur de type plaque froide. Il comprend un corps 1 principal, sous la forme d’une plaque, c'est-à-dire qu’il présente au moins une dimension, en l’occurrence l’épaisseur, très petite par rapport aux deux autres dimensions, s’étendant entre deux extrémités 2 fermées. Comme indiqué en introduction, une plaque froide est, de manière générale, un échangeur de chaleur d’épaisseur globale réduite, lui permettant d’âtre appliqué directement contre un élément à refroidir. Toutefois, la description qui suit peut s’appliquer pour tout type d’échangeur de chaleur.
Le corps 1 comprend au moins une surface 3 extérieure sensiblement, qui est, selon l’exemple des figures, sensiblement plane. En pratique, il peut comprendre deux surfaces 3 extérieures opposées, formant les plus grandes surfaces du corps 1. En pratique, au moins une de ces deux surfaces 3 est destinée à être en contact avec un élément à refroidir. Ces surfaces 3 peuvent toutefois prendre toute forme, et s’adapter à l’élément ave lequel elles sont destinées à venir en contact.
L’échangeur 100 comprend en outre typiquement au moins une entrée 4 et au moins une sortie 5 pour un fluide caloporteur.
Le corps 1 principal est obtenu notamment par extrusion d’aluminium ou d’un alliage d’aluminium. La matière filée ainsi obtenue se présente sous la forme d’une plaque de grande longueur, munie de canaux. La plaque est ensuite découpée à la longueur désirée pour former le corps 1.
Le corps 1 comprend ainsi deux extrémités 6, qui sont ouvertes à ce stade du procédé de fabrication, et qui donnent accès sur des canaux 7 intérieurs qui formeront un circuit pour un fluide caloporteur. A cet effet, le corps 1 est usiné afin de former au moins une chambre de jonction aux extrémités des canaux 7. Selon un premier exemple illustré notamment sur la , chaque extrémité 6 comprend une unique ouverture 61. Les canaux 7 sont ainsi reliés en parallèle à chacune de leurs extrémités par une chambre 8 de jonction pour former le circuit de fluide caloporteur. En d’autres termes, deux chambres 8 de jonction sont formées. Le nombre de canaux 7 ainsi que la manière de les relier peuvent toutefois varier.
Comme cela sera explicité plus loin, la longueur du corps 1, au-delà de l’extrémité des canaux 7, du côté des extrémités 6 à fermer, est adaptée de manière à la fois à permettre la former des chambres 8 de jonction et à permettre la mise en œuvre de la technique de soudage particulière décrite ci-après.
Dans ce qui suit, à des fins de simplification, on définit une direction longitudinale comme étant la direction d’extension des canaux 7, entre les deux extrémités 6, et une direction transversale, perpendiculaire à la direction longitudinale, la direction longitudinale et la direction transversale définissant un plan horizontal parallèle aux surfaces 3 extérieures de l’exemple des figures. On définit alors une direction verticale, orthogonale au plan horizontal.
Le corps 1 comprend une paroi 9 supérieure et une paroi 10 inférieure, chacune étant délimitée à l’extérieur par une surface 3 extérieure, et reliées par deux parois 11 latérales. Chaque paroi 9, 10, 11 présente un bord libre à chaque extrémité 6.
Les parois 9 et 10 étant celles portant les surfaces 3 les plus grandes, et donc celles ayant le rôle le plus important dans l’échange de chaleur, il est souhaitable de minimiser leur épaisseur e, c'est-à-dire la distance, en l’occurrence verticale, entre la surface 3 supérieure et les canaux 7. L’exigence de minimiser l’épaisseur e des parois reste toutefois vraie pour l’ensemble des parois du corps 1, et l’épaisseur de parois 11 latérales peut également être minimisée. En pratique, les parois 9, 10 et 11 présentent la même épaisseur e.
Afin de fermer l’ouverture 61 à chaque extrémité 6 du corps 1, il est utilisé la technique de soudage par friction malaxage par transparence de manière à souder au moins une des parois du corps 1 avec une autre paroi.
Selon un premier mode de réalisation, illustré sur la , la paroi du corps 1 à souder est la paroi 9 supérieure, et l’autre paroi est formée par un bouchon 12 venant couvrir l’ensemble de l’ouverture 61 de l’extrémité 6. Par exemple, le bouchon 12 est inséré à force dans l’ouverture 61. La dimension du bouchon 12 dans la direction longitudinale lorsqu’il est assemblé au corps 1 est telle qu’une première extrémité du bouchon 12 n’abute pas l’entrée des canaux 7 mais reste à distance, laissant la chambre 8 de jonction libre pour la circulation du fluide caloporteur entre les canaux 7, et la deuxième extrémité affleure sensiblement les bords libres des parois 9, 10, 11 à l’extrémité 6 correspondante, c'est-à-dire que la deuxième extrémité du bouchon 12 est sensiblement coplanaire, en l’occurrence dans un même plan vertical, avec l’extrémité 6, formant après soudage l’extrémité 2 fermée.
Une surface 3 extérieure du corps 1, par exemple celle de la paroi 9 supérieure, est amenée en vis-à-vis d’une tête 13 de soudage, actionnée par une machine-outil, et qui comprend un pion 14 et un épaulement 15. Plus précisément, le pion 14 est de forme cylindrique, par exemple conique se rétrécissant en direction d’une extrémité 14a libre, et définissant une direction axiale. L’épaulement 15 forme une surface de butée sensiblement plane, perpendiculaire à la direction axiale. La surface 3 extérieure du corps 1 est alors disposée sensiblement perpendiculaire à la direction axiale, la direction verticale du corps 1 étant confondue avec la direction axiale du pion 14.
Comme présenté en introduction, le diamètre de l’épaulement 15, et plus précisément de sa surface de butée, est au moins deux fois supérieur au plus grand diamètre du pion 14, afin de garantir une soudure de haute qualité.
Un point de départ est déterminé sur la surface 3 extérieure de la paroi 9 extérieure de sorte que la surface de butée de l’épaulement 15 puisse être totalement en contact avec une surface du corps 1.
La tête est 13 déplacée axialement jusqu’à ce que l’extrémité 14a libre du pion 14 entre en contact avec le point de départ, sur la surface 3 extérieure de la paroi 9 supérieure selon l’exemple présenté.
La tête 13 est actionnée en rotation autour de la direction axiale, de sorte que le mouvement axial de la tête 13 continuant, le pion 14 pénètre la paroi 9 supérieure sur une épaisseur supérieure à l’épaisseur e de la paroi 9 supérieure. Le pion 14 soit rencontre alors une première paroi 11 latérale, soit rencontre le bouchon 12, soit est à cheval à la fois sur la première paroi 11 latérale et le bouchon 12. Selon l’exemple de la , la dimension axiale du pion 14 est telle que lorsque que la surface de butée de l’épaulement 15 arrive en contact avec la surface 3 extérieure correspondante, alors le pion 14 est également dans la paroi 10 inférieure. Le soudage peut ainsi être réalisé en une seule passe. De préférence, le pion 14 ne traverse pas totalement la paroi 10 inférieure, la surface 14a libre du pion restant dans l’épaisseur de la paroi 10 inférieure pendant la suite de l’opération de soudage. La rotation du pion 14 échauffe la ou les matières avec lesquelles il est contact, de sorte qu’elle devient pâteuse, mais restent à l’état solide, c'est-à-dire que la température de fusion n’est pas atteinte. La tête 13 est ensuite déplacée transversalement à force dans l’épaisseur des parois 9, 10 et du bouchon 12, le long d’un chemin de soudure sensiblement transversal, de manière à traverser l’ensemble du bouchon 12 jusqu’à la deuxième paroi 11 latérale.
La longueur, c'est-à-dire la dimension longitudinale, du bouchon 12 est adaptée aux dimensions du pion 14, de sorte que le pion 14 est toujours contenu entre les deux extrémités longitudinales du bouchon 12 le long du chemin de soudure.
Sur la , à des fins d’illustration, le pion 14 est retiré hors du corps 1 et du bouchon 12 par déplacement axial de la tête 13 avant la fin de l’opération de soudage, et le corps 1 et le bouchon 12 ont été coupés au niveau du retrait du pion 14. On voit ainsi que le bouchon 12 est à distance de l’extrémité des canaux 7 pour ne pas les boucher, et pour laisser la chambre 8 de jonction libre.
Un trou 16, empreinte du pion 14, est visible à l’endroit du retrait du pion 14. En pratique, ce trou 16 est réalisé en dehors du chemin de soudage. Par exemple, la plaque obtenue par extrusion permet de former une portion de matière dite inerte, non représentée sur les figures, prolongeant transversalement le corps 1. La portion inerte est notamment dépourvue de canaux, et plus généralement elle est dépourvue de toute fonction pour l’échangeur 100 de chaleur. Le chemin de soudure se termine alors dans la portion inerte, pour y former le trou 16. La portion inerte peut ensuite être retirée par découpage.
Il est également représenté sur la l’empreinte 15’ de l’épaulement 15 sur la surface 3 extérieure de la paroi 9 supérieure. Comme cela est visible, l’empreinte 15’ est totalement contenue sur la surface 3 extérieure et sur la longueur du bouchon 12.
L’autre extrémité 6 peut être fermée à l’aide d’un bouchon, de manière identique à ce qui vient d’être décrit.
Eventuellement, une opération d’usinage, par exemple de rectification, de la surface 3 extérieure avec laquelle la surface de butée de l’épaulement 15 a été en contact peut succéder à l’opération de soudage.
Eventuellement, si cela n’a pas déjà été fait préalablement à l’opération de soudage du bouchon 12, toutes les surfaces extérieures du corps 1 peuvent être rectifiées si nécessaire, les orifices d’entrée 4 et de sortie 5 du fluide peuvent être usinés, et des points 101 de fixation de l’échangeur 100 de chaleur sur le dispositif à refroidir peuvent être percés. Un dispositif de raccordement peut être fixé sur chacun des orifices d’entrée 4 et de sortie 5 du fluide, à tout moment après leur usinage, par toute opération d’assemblage connue, et notamment par soudage.
Eventuellement encore, en fonction des applications, le corps 1 peut être mis en forme par exemple par ceintrage, avant ou après l’opération de soudage, afin de s’adapter à la forme de l’élément à refroidir.
On obtient ainsi un échangeur 100 de chaleur de type plaque froide parfaitement étanche et prêt à être installé.
La mise en œuvre de la technique de soudage par friction malaxage par transparence permet de s’affranchir de la condition sur l’épaisseur minimale des parois supérieure et inférieure 9, 10 notamment, puisque l’épaulement 15 ne prend pas appui sur leur bord libre comme dans la technique sans transparence.
Il en résulte que l’épaisseur e des parois 9, 10 supérieure et inférieure du corps 1 obtenu après extrusion, sans étape supplémentaire d’usinage, peut être inférieure à celle du bouchon 12, et même de préférence inférieure ou égale à la moitié de l’épaisseur du bouchon 12, l’épaisseur du bouchon 12 étant définie comme sa dimension verticale lorsqu’il est assemblé sur le corps 1. L’épaisseur du bouchon 12 dépend quant à elle notamment de la dimension verticale des canaux 7 qu’il bouche, laquelle doit être suffisante pour permettre au fluide caloporteur de circuler selon des conditions déterminées, par exemple en considérant sa viscosité, une vitesse de circulation du fluide et l’apparition de turbulences.
Le procédé de fabrication ainsi décrit, comprenant notamment le soudage par friction malaxage par transparence de bouchons, est donc plus facile à mettre en place et moins coûteux, pour un échangeur 100 de chaleur aux performances accrues.
L’épaisseur e des parois 9, 10 supérieure et inférieure du corps 2 juste après l’extrusion peut ainsi notamment être inférieure ou égale à 10 mm (millimètres), de préférence inférieure ou égale à 5 mm, et de préférence encore inférieure ou égale à 2 mm.
Selon l’exemple de la , le soudage du bouchon 12 est réalisé en une seule passe. En variante, illustrée sur la , le bouchon 12 peut être soudé en deux passes, soit simultanément soit successivement. En d’autres termes, deux parois du corps 1 en l’occurrence la paroi 9 supérieure et la paroi 10 inférieure, sont soudées à une autre paroi, cette autre paroi étant toujours formée par le bouchon 12.
Par exemple, pour effectuer un soudage du bouchon 12 en deux passes successives, on peut utiliser une seule tête 13 de soudage comportant, de manière similaire à ce qui a été décrit précédemment, un pion 14 de soudage surmonté d’un épaulement 15.
La longueur du pion 14 de la tête 13 est par exemple telle que lorsque la surface de butée de l’épaulement 15 d’une tête 13 est en contact avec une surface 3 extérieure, l’extrémité 14a du pion 14 de ladite tête a pénétré le bouchon 12 sur a moins la moitié d son épaisseur, sans toutefois l’avoir traversée.
La tête 13 est alors déplacée comme précédemment, transversalement, le long d’un chemin de soudure, en étant guidée par le contact de l’épaulement 15 sur une première surface 3 extérieure, réalisant une première passe. Puis, le corps 1 est retourné ou alors la tête 13 est déplacée de manière à permettre l’épaulement 15 de la tête 13 de venir en contact avec la deuxième surface 3 extérieure, et la deuxième passe est réalisée. Lors de la deuxième passe, une portion des matériaux déjà malaxée lors la première passe peut être de nouveau malaxée pendant la deuxième passe. .
Les points de départ du chemin de soudure des deux passes peuvent être en vis-à-vis, c'est-à-dire que les deux point de départ sont alignés verticalement, à proximité d’une même paroi 11 latérale. Les deux chemins de soudure s’étendent ainsi dans le même sens dans la direction transversale.
En variante, le point de départ du chemin de soudure de la première passe peut être à proximité d’une paroi 11 latérale, tandis que celui de l’autre chemin de soudure est à proximité de l’autre paroi 11 transversale. Les deux chemins de soudure s’étendent alors dans deux sens opposés suivant la direction transversale.
Un deuxième exemple du corps 1 est illustré notamment sur les figures 6 et 7. Selon ce deuxième exemple, quatre canaux 7 sont destinés à être reliés en série. Dans ce cas, les extrémités 6 du corps 1 peuvent comprendre plusieurs ouvertures. Le corps 1 selon ce deuxième exemple reprend les caractéristiques du premier exemple décrit plus haut, à l’exception des caractéristiques suivantes.
Notamment, une première extrémité 6 comprend deux ouvertures 6a, 6b de même dimension, chacune destinée à former une chambre 8a, 8b de jonction pour deux canaux 7 adjacents, les deux chambres 8a, 8b n’étant pas destinées à communiquer fluidiquement. Les canaux 7 sont alors reliés de manière correspondante en quinconce à l’autre extrémité. Plus précisément, l’autre extrémité 6 du corps 1 comprend trois ouvertures 6c, 6d, 6e, à savoir en partant d’une paroi 11 latérale du corps 1 : une ouverture 6c correspondant à l’extrémité d’un unique canal 7, une ouverture 6d formant une chambre 8d de jonction pour deux canaux 7 adjacents et une ouverture 6e correspondant à l’extrémité d’un unique canal 7.
Il est ainsi prévu cinq bouchons, chaque bouchon fermant une ouverture 6a, 6b, 6c, 6d, 6e, afin de former un circuit pour la circulation du fluide caloporteur dans lequel le fluide traverse les canaux en série.
Sur la , le corps 1 est présente découpé au niveau de la chambre 8b de jonction sur la première extrémité 6, et au niveau de la chambre 8d de jonction sur la deuxième extrémité 6. Ainsi, un bouchon 12a ferme l’ouverture 6a à la première extrémité 6 tout en laissant la chambre 8a de jonction disponible pour la circulation du fluide entre les deux canaux 7 concernés, tandis qu’à la deuxième extrémité, un bouchon 12c ferme l’ouverture 6c à l’extrémité d’un des deux canaux 7 concernés, en l’occurrence le canal 7 adjacent à une paroi 11 latérale. Un bouchon 12b, qui sera identique au bouchon 12a, bouchant l’ouverture 6b ainsi que la chambre 8b sont également partiellement visibles sur la , sur la première extrémité 6. Sur la deuxième extrémité, deux autres bouchons sont mis en place, à savoir un bouchon identique aux bouchons 12a et 12b de la première extrémité et un bouchon identique au bouchon 12c.
Les cinq bouchons sont soudés comme précédemment, par la technique de soudage par friction malaxage par transparence, qui ne sera pas décrite de nouveau ici. Les bouchons sont alors de forme simple, faciles à usiner. Ils peuvent être assemblés au corps 1 en plusieurs opérations de mise en place et de soudage successives, ou, sur une même extrémité 6, être tous mis en place et soudés en une seule opération.
En variante, il pourra être prévu sur un corps 1 comportant à chaque extrémité 6 une unique ouverture, comme selon le premier exemple, un unique bouchon à chaque extrémité 6. Le bouchon est alors muni de protubérances permettant de former plusieurs chambres de jonction dans une même ouverture.
Par exemple, comme illustré sur les figures 8 et 9, pour former un circuit similaire à celui des figures 6 et 7, un premier bouchon 12a présente deux protubérances 17, pour fermer les deux chambres 8a, 8b à la première extrémité 6, et un deuxième bouchon 12b présente trois protubérances 17 pour fermer les deux canaux 7 adjacents aux parois 11 latérales et la chambre 8d de jonction à la deuxième extrémité 6.
Comme illustré notamment sur la pour le deuxième bouchon 12b, mais cela reste valable de manière similaire pour le premier bouchon 12a à l’autre extrémité 6, le ou les chemins de soudure 18 passent par les protubérances 17 du bouchon 12b, par la matière du corps 1 formant séparation 19 entre les canaux 7 de la chambre 8d de jonction et les autres canaux 7, et par les parois 11 latérales, pour assurer l’étanchéité des canaux 7 et des chambres de jonction.
Cette variante permet de n’avoir qu’un bouchon 12a, 12b à positionner et à souder à chaque extrémité 6, facilitant le positionnement du bouchon pour l’opération de soudage sur le corps 1 à chaque extrémité 6.
Selon un deuxième exemple de réalisation, illustré sur la sur laquelle le corps 1 est représenté partiellement découpé, pour fermer une extrémité 6, la paroi du corps 1 à souder est la paroi 9 supérieure, et l’autre paroi est formée la paroi 10 inférieure du corps 1. Ce deuxième mode de réalisation est particulièrement adapté au circuit de fluide caloporteur dans lequel les canaux 7 sont reliés en parallèle.
Plus précisément, le corps 1 est déformé de sorte que la paroi 9 supérieure est ramenée contre la paroi 10 inférieure, par exemple par emboutissage, de manière à fermer l’extrémité 6 tout en ménageant une chambre 8 de jonction à l’extrémité des canaux 7. La portion de paroi 9 supérieure et la portion de la paroi 10 inférieure en contact l’une avec l’autre est de dimension adaptée afin de permettre le support de la surface de butée de l’épaulement 15 d’un pion 14 d’une tête de soudage 13 afin de réaliser le soudage par transparence. Ainsi, la longueur du corps 1 est prolongée suffisamment au-delà de l’extrémité 7 de canaux du côté de l’extrémité 6 à fermer afin à la fois de former la chambre 8 de jonction et de permettre le support de la tête 14 de soudage.
La déformation peut ne concerner que l’une de la paroi 9 supérieure et de la paroi 10 inférieure ou, comme sur l’exemple de la , les deux parois 9, 10.
Le soudage par transparence peut alors être mis en œuvre comme décrit précédemment : la surface de butée de l’épaulement 15 d’une tête 13 de soudage est appliquée contre une surface 3 extérieure, par exemple de la paroi 9 supérieure, à l’endroit de la déformation, de sorte que le pion 14 traverse la paroi 9 supérieure et pénètre au moins en partie la paroi 10 inférieure. La tête 13 de soudage est ensuite déplacée le long d’un chemin de soudage, guidée par le contact entre la surface 3 extérieure et la surface de butée de l’épaulement 15, depuis une paroi 11 latérale jusqu’à l’autre paroi 11 latérale.
Sur la , on a représenté le pion 14 sorti du corps 1 avant d’avoir terminé l’opération de soudage, formant un trou 16 empreinte du pion à l’endroit du retrait. De même que précédemment, le corps 1 peut en pratique comprendre une portion inerte, dépourvue de canaux, et plus généralement dépourvue de toute fonction pour l’échangeur 100 de chaleur, prolongeant le corps 1 transversalement, dans laquelle se termine le chemin de soudage. Ainsi, le trou 16 à l’endroit du retrait se trouve dans la portion inerte, laquelle peut être découpée dans une étape ultérieure.
Comme visible sur la , l’empreinte 15’ de l’épaulement 15 sur la surface 3 extérieure par exemple de la paroi 9 supérieure est totalement contenue dans la portion de la paroi 9 supérieure en contact avec la paroi 10 inférieure : la longueur de cette portion est supérieure ou égale au diamètre de la surface de butée de l’épaulement 15.
Le soudage de la paroi 9 supérieure avec la paroi 10 inférieure peut être réalisé en une unique passe, ou en deux passes. Toutefois, l’épaisseur des parois 9, 10 rend le soudage en une unique passe suffisante, et même particulièrement adapté.
Selon ce deuxième mode de réalisation, aucune épaisseur minimale des parois 9, 10 du corps 1 n’est requise pour permettre de réaliser l’opération de soudage. Ainsi, leur épaisseur e est principalement limitée par la technique d’extrusion du corps 1 principal.
La deuxième extrémité 6 peut être fermée de la même manière.
Les deux modes de réalisation décrits ci-dessus et leurs variantes peuvent être appliqués en combinaison sur un même corps 1. Par exemple, une extrémité 6 peut être fermée à l’aide d’un ou plusieurs bouchons selon le premier mode de réalisation, et l’autre extrémité 6 être fermée par emboutissage selon le deuxième mode de réalisation.
L’échangeur 100 de chaleur ainsi réalisé présente des extrémités 2 fermées parfaitement étanches et présentant une bonne tenue mécanique notamment grâce à la technique de soudage par friction malaxage. Aucune épaisseur minimale des parois de l’échangeur 100 de chaleur n’est requise pour mettre en œuvre le soudage par friction malaxage par transparence, permettant ainsi d’atteindre des épaisseurs plus faibles que celles de l’art antérieur. Notamment, l’épaisseur des parois, et en particulier l’épaisseur e des parois 9, 10 supérieure et inférieure, peut être inférieure ou égale à 10 mm (millimètres), de préférence inférieure ou égale à 5 mm, et de préférence encore inférieure ou égale à 2 mm. Les performances thermiques de l’échangeur 100 de chaleur s’en trouvent accrues.
L’épaisseur totale du corps 1, c'est-à-dire la somme des épaisseurs e de la paroi 9 supérieure, 10 inférieure et, le cas échéants, du ou des bouchons, est également réduite. Il est ainsi possible de réaliser un corps 1 d’épaisseur notamment inférieure à 10 mm, de préférence inférieure ou égale à 7 mm, et de préférence encore inférieure ou égale à 5 mm.
La technique de soudage par friction par malaxage par transparence peut être mise en place de manière simple et peu coûteuse. Notamment, elle offre une grande liberté dans l’ordre des étapes de fabrication de l’échangeur de chaleur. Elle permet également d’être mise en œuvre pour des formes quelconques

Claims (10)

  1. Procédé de fabrication d’un échangeur (100) de chaleur comprenant :
    - une étape de formation d’un corps (1) principal comprenant au moins un circuit pour un fluide caloporteur et deux extrémités (6) ouvertes,
    - une étape de fermeture d’au moins une des deux extrémités (6),
    dans lequel l’étape de fermeture d’au moins une des deux extrémités (6) comprend une opération de soudage par friction malaxage par transparence réalisée à l’aide d’au moins une tête (13) de soudage présentant un pion (14) de soudage surmonté d’un épaulement (15), l’opération de soudage comprenant :
    - la traversée par le pion (14) de soudage d’une première paroi (9, 10) jusqu’à ce que l’épaulement vienne en butée contre une surface (3) externe de ladite première paroi (9, 10), le pion (14) ayant alors également pénétré au moins une deuxième paroi (9, 10, 12), au moins la première paroi (9, 10) comprenant une paroi du corps (1) principal ;
    - le déplacement de la tête (13) de soudage par guidage de l’épaulement (15) sur la surface (3) externe le long d’un chemin de soudure déterminé ;
    - le retrait du pion (14).
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’étape de formation du corps (1) principal comprend une opération d’extrusion.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la deuxième paroi (9, 10) comprend également une paroi (9,10) du corps (1) principal, différente de la première paroi (9,10), et dans lequel l’étape de fermeture comprend en outre une opération d’emboutissage dans laquelle la première paroi (9,10) et la deuxième paroi (9, 10) sont amenées l’une contre l’autre, à distance du circuit du fluide caloporteur, pour fermer la au moins une extrémité (6), et dans lequel l’opération de soudage comprend la traversée par le pion (14) de soudage de la première paroi (9, 10) jusqu’à ce que l’épaulement (15) vienne en butée contre une surface (3) externe, le pion (14) ayant alors également pénétré la deuxième paroi (9, 10).
  4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape de fermeture d’au moins une extrémité (6) comprend la mise en place d’au moins un bouchon (12) fermant l’extrémité (6), dans lequel la deuxième paroi comprend le bouchon (12), et dans lequel l’opération de soudage comprend la traversée par le pion (14) de soudage de la première paroi (9,10) jusqu’à ce que l’épaulement (15) vienne en butée contre une surface (3) externe de la première paroi (9, 10), le pion (14) ayant alors également pénétré le bouchon (12).
  5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l’opération de soudage comprend la traversée par un pion (14) de soudage d’une autre paroi (9, 10) du corps principal, opposée à la première paroi (9, 10), jusqu’à ce qu’un épaulement (15) surmontant le pion (14) vienne en butée contre une surface (3) externe de l’autre paroi (9, 10) du corps principal, le pion (14) ayant alors également pénétré le bouchon.
  6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit de fluide caloporteur comprend au moins deux canaux (7) s’étendant entre les deux extrémités (6), et dans lequel l’étape de formation de corps (1) principal comprend l’usinage d’au moins une chambre (8) de jonction des deux canaux.
  7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins le corps (1) principal est en aluminium ou en alliage d’aluminium.
  8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’échangeur (100) de chaleur est une plaque froide.
  9. Echangeur (100) de chaleur obtenu par le procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le corps (1) principal est délimité par des parois (9, 10, 11) d’épaisseur inférieure ou égale à 5mm.
  10. Echangeur (100) de chaleur obtenu par le procédé de fabrication selon la revendication 4 ou la revendication 5, dans lequel l’épaisseur des parois (9, 10, 11) du corps (1) principal est inférieure à la moitié de l’épaisseur du bouchon (12).
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