La présente invention concerne un échangeur de chaleur, tel qu'un échangeur de chaleur destiné à un véhicule automobile.

L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel échangeur.

Dans un échangeur de chaleur, deux fluides sont mis en relation d'échange thermique via des surfaces d'échange. Dans ces échangeurs, un liquide de refroidissement ou un réfrigérant parcourt des tubes, qui sont eux même en contact avec des ailettes ou autres perturbateurs, ces derniers ayant une fonction d'échange avec l'air. Les fluides circulent au sein des échangeurs de chaleur en dissipant ou en absorbant de l’énergie thermique. L’efficacité des échangeurs de chaleur et des circuits thermodynamiques auxquels ils sont rattachés est principalement déterminée par les échanges thermiques entre les fluides les parcourant.

Dans ce type d'échangeur, une première limitation est la résistance de contact thermique entre la surface d'échange extérieure, constituée par les ailettes, et les canaux de circulation du deuxième fluide, constitués par les tubes ou les plaques. Même si cela est d'autant plus vrai dans le cas des échangeurs obtenus par assemblage mécanique, cette résistance de contact n'est pas non plus négligeable dans le cas des échangeurs brasés. Un levier d'optimisation de la performance passe donc par la suppression de cette résistance de contact.

Une deuxième limitation de ce type d'échangeur est la manipulation d'un nombre important de pièces lors de l'assemblage, qui rend la fabrication de ces échangeurs complexe.

L'invention a pour but de résoudre au moins en partie les problèmes précédents et propose à cet effet, selon un premier aspect, un échangeur de chaleur comprenant une surface d'échange de chaleur présentant une épaisseur de matière, ladite surface d'échange étant munie d'une pluralité de protubérances et d'encoches formées en creux dans ladite épaisseur de matière, lesdites protubérances étant issues de matière en périphérie desdites encoches.

Selon un deuxième aspect, l'invention a pour objet un échangeur de chaleur comprenant une surface d'échange de chaleur présentant une épaisseur de matière, ladite surface d'échange étant munie de protubérances et d'encoches obtenues par un procédé de structuration par griffage de la matière de ladite surface d'échange.

La présence de protubérance permet d'augmenter la surface d'échange et donc d'améliorer l'échange thermique. De plus, les protubérances agissent comme des dispositifs de perturbation et augmentent ainsi le brassage des fluides. Enfin, les protubérances étant formées directement sur la surface d'échange thermique, le nombre d'élément et la masse de l'échangeur n'augmentent pas tout en limitant voire en éliminant la résistance de contact rencontrée avec l'état de l'art.

L'invention peut également comprendre l'une quelconque des caractéristiques suivantes, prises individuellement ou selon toute combinaison techniquement possible

- les protubérances présentent une base proximale et une extrémité distale,

- base proximale est liée par continuité de matière à ladite à la surface d'échange de chaleur,

- la section de la protubérance au niveau de sa base proximale est sensiblement supérieure à la section de la protubérance au niveau de son extrémité distale,

- les protubérances sont de formes pointues en s'effilant vers leur extrémité distale,

- les protubérances présentent une hauteur comprise entre 0,5mm et 4mm, ladite hauteur étant mesurée entre la base proximale et l'extrémité distale de la protubérance,

- les protubérances présentent une hauteur comprise entre 0,7mm et 2,5mm, ladite hauteur étant mesurée entre la base proximale et l'extrémité distale de la protubérance,

- la hauteur est sensiblement plus importante que les plus grandes dimensions de la base proximale,

- l'échangeur de chaleur comprend au moins un plaque métallique mise en forme de sorte à former un élément dudit échangeur de chaleur tel qu'un tube de circulations de fluide ou une plaque de circulations de fluide, la surface d'échange de chaleur correspondant à une surface de ladite plaque métallique, les protubérances étant issues de matière de ladite plaque métallique,

- les protubérances sont situées sur les deux faces de plaque métallique,

- les protubérances d'une première face de la plaque métallique sont décalées par rapport aux protubérances de la deuxième face de la plaque métallique,

- les encoches d'une première face de la plaque métallique sont décalées par rapport aux encoches de la deuxième face de la plaque métallique, - la hauteur des protubérances est inférieure ou égale à dix fois l'épaisseur de la plaque métallique,

- la hauteur des protubérances est inférieure ou égale à cinq fois l'épaisseur de la plaque métallique,

- les protubérances sont situées sur une face externe et/ou interne du tube de circulations de fluide et/ou de la plaque de circulations de fluide,

- l'échangeur de chaleur comprend un empilement desdites plaques de circulations de fluide et/ou desdits tubes de circulations de fluide,

- les protubérances présentent une forme incurvée,

- les protubérances sont pleines,

- les extrémités distales des protubérances d'une première surface d'échange de chaleur sont brasées à une deuxième surface d'échange de chaleur leur faisant face de sorte à renforcer la structure mécanique de l'échangeur.

Enfin, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un échangeur tel que décrit plus haut, comprenant les étapes suivantes :

- traitement de surface par griffage d'au moins une face d'une plaque métallique,

- transformation de la plaque métallique en une surface d'échange de l'échangeur tel qu'un tube de circulations de fluide ou une plaque de circulations de fluide.

L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- [Fig.1] la figure 1, illustre un échangeur de chaleur selon l'invention,

- [Fig.2] la figure, illustre de façon schématique une vue en coupe d'une partie d'une plaque métallique d'un échangeur selon l'invention,

- [Fig.3] la figure 3, est une illustration d'une plaque métallique d'un échangeur selon l'invention,

- [Fig.4] la figure 4, illustre de façon schématique une seconde plaque métallique d'un échangeur selon l'invention,

- [Fig.5] la figure 5, illustre de façon schématique différentes protubérances,

- [Fig.6a-6e] les figures 6a à 6e, illustrent de façon schématique les différentes étapes de fabrication d'un échangeur de chaleur selon l'invention,

- [Fig.7] la figure 7, illustre une plaque d'un échangeur selon l'invention. Comme représenté à la figure 1, l'invention concerne un échangeur de chaleur 1. Comme visible notamment aux figures 1 et 6, selon un mode de réalisation de l'invention, ledit échangeur 1 comprend un faisceau de tubes 30 de circulation de fluide empilés les uns sur les autres. Les extrémités des tubes 30 de circulation de fluide sont fixées à des plaques collectrices 50 sur lesquelles viennent se positionner des collecteurs 55 d'entrée et de sortie. Un premier fluide arrive par le collecteur 55 d'entrée, passe dans les différents tubes 30 de circulation de fluide, puis ressort de l'échangeur de chaleur 1 par le collecteur 55 de sortie. Un second fluide traverse ledit échangeur de chaleur 1 en passant entre les tubes 30 de circulation de fluide de sorte à échanger des calories avec le premier fluide.

Avantageusement, les tubes 30 de circulation de fluide ne sont pas séparés par des ailettes de perturbation de fluide.

L'échangeur de chaleur 1 est muni d'une surface d'échange de chaleur présentant une pluralité de protubérances 10 et d'encoches 20. La présence de protubérance 10 au niveau de la surface d'échange entraîne une augmentation de la surface d'échange ce qui améliore l'échange thermique. De plus, les protubérances 10 permettent de perturber l'écoulement du fluide venant au contact de la surface d'échange ce qui augmente le brassage du fluide.

Comme illustré aux figures 2 à 4, les encoches 20 sont non traversantes de sorte que le fluide refroidi/chauffé ne puisse pas traverser la surface d'échange de chaleur. Les protubérances 10 sont issues de matière en périphérie des encoches 20. En d'autres termes, une partie de la matière de la surface d'échange de chaleur est délogée de ladite surface et forme une protubérance 10. Ladite protubérance 10 est toujours connectée à la surface d'échange de chaleur par continuité de matière. Comme visible aux figures 2 et 4, la zone d'où provient la matière délogée correspond à l'encoche 20. Pour chaque protubérance 10 correspond une encoche 20 d'où ladite protubérance 10 est issue.

Les protubérances 10 étant formées directement sur la surface d'échange thermique, le nombre d'élément et la masse de l'échangeur 1 n'augmentent pas et la manipulation de l'échangeur 1 lors de sa fabrication en est ainsi facilitée. De plus, le fait que les protubérances 10 soient connectées à la surface d'échange de chaleur par continuité de matière permet d'éliminer la résistance thermique de contact. Les protubérances 10 de l'échangeur selon l'invention présentent avantageusement une forme spécifique. Avantageusement, la forme desdites protubérances peut être assimilée à un crochet. Avantageusement encore, les protubérances 10 présentent une forme incurvée.

Les protubérances 10 présentent une base proximale 11 et une extrémité distale 12. Avantageusement, la section de la protubérance 10 au niveau de sa base proximale 11 est sensiblement supérieure à la section de la protubérance 10 au niveau de son extrémité distale 12. En d'autres termes, la largeur et la profondeur de la base proximale 11 sont sensiblement supérieure à la largeur et à la profondeur de l'extrémité distale 12. La protubérance 10 a ainsi une forme de pointe, évasée vers le haut. Cette forme pointue en s'effilant vers le haut permet d'améliorer les échanges thermiques entre les deux fluides circulant au travers de l'échangeur de chaleur 1 en offrant une conductivité thermique et une perte de charge sur le fluide progressives.

La hauteur des protubérances 10 peut varier en fonction du type d'échangeur de chaleur et du type de fluide associé. La figure 5 illustre différentes protubérances 10 pouvant être présentes sur la surface d'un échangeur de chaleur 1 selon l'invention. Avantageusement, la hauteur desdites protubérances 10 est comprise entre 0,5mm et 4mm, ladite hauteur étant mesurée entre la base proximale 11 et l'extrémité distale 12 de la protubérance. Avantageusement encore, la hauteur desdites protubérances 10 est comprise entre 0,7mm et 2,5mm, ladite hauteur étant mesurée entre la base proximale 11 et l'extrémité distale 12 de la protubérance.

Avantageusement, l'échangeur de chaleur comprend au moins une plaque métallique 3 mise en forme de sorte à former un élément dudit l'échangeur de chaleur 1. Ledit élément formé à partir de ladite plaque métallique 3 peut notamment être un tube 30 de circulations de fluide ou une plaque 40 de circulations de fluide. La surface d'échange de chaleur correspond ainsi à une surface de la plaque métallique 3, les protubérances 10 étant issues de matière de ladite plaque métallique 3. Les protubérances 10 et les encoches 20 peuvent être localisées sur l'une des faces de la plaque métallique 3 ou sur ses deux faces. La figure 2 représente une plaque métallique 3 présentant des protubérances 10 sur une seule de ses faces et la figure 3 représente une plaque métallique 3 présentant des protubérances 10 sur ses deux faces. Comme illustré à la figure 4, la présence des encoches 20 à la surface de la plaque métallique 3 entraîne une diminution locale de l'épaisseur de la plaque métallique 3 au niveau de l'encoche 20. Avantageusement, les protubérances 10 d'une première face de la plaque métallique 3 sont décalées par rapport aux protubérances 10 de la deuxième face de la plaque métallique 3. De la même manière, les encoches 20 d'une première face de la plaque métallique 3 sont avantageusement décalées par rapport aux encoches 20 de la deuxième face de la plaque métallique 3. Le décalage des protubérances 10, et donc des encoches 20, sur les faces opposées de la plaque métallique 3 permet de répartir les diminutions d'épaisseur de ladite plaque métallique 3 et de conserver une épaisseur minimale de plaque métallique 3. Si les encoches 20 des deux faces étaient alignées, il pourrait en résulter une diminution trop importante de l'épaisseur de la plaque métallique 3 et donc une fragilisation de ladite plaque métallique 3, notamment en termes mécanique ou de résistance à la corrosion.

La hauteur des protubérances dépend également de l'épaisseur de la plaque métallique 3. Avantageusement la hauteur des protubérances est inférieure ou égale à dix fois l'épaisseur de la plaque métallique 3. Avantageusement encore, la hauteur des protubérances est inférieure ou égale à cinq fois l'épaisseur de la plaque métallique 3. Ce ratio permet de conférer des propriétés mécaniques satisfaisantes aux protubérances 10 tout en conservant une résistance suffisante à la plaque métallique 3 au niveau des encoches 20.

La plaque métallique 3 portant les encoches 20 et les protubérances 10 forme l'un au moins des éléments de l'échangeur de chaleur 1.

Selon un mode de réalisation illustré à la figure 6, les protubérances 10 sont situées sur le tube 30 de circulations de fluide de l'échangeur 1. Avantageusement, les protubérances 10 et les encoches 20 sont situées à la fois sur la face interne et sur la face externe du tube 30 de circulations de fluide. Ainsi, les échanges thermiques entre les deux fluides sont améliorés.

Selon un mode de réalisation illustré à la figure 7, les protubérances 10 sont situées sur une plaque 40 de circulations de fluide de l'échangeur 1. Les protubérances 10 permettent ici d'améliorer la perturbation de l’écoulement du fluide s'écoulant le long de la plaque 40 de circulations de fluide et d'améliorer la perturbation de l’écoulement dudit fluide.

Les modes de réalisation présentés ci-dessus ne constituent nullement une limitation. Les protubérances 10 et les encoches 20 peuvent ainsi être situées sur l'une quelconque des faces ou sur les deux faces de l'un et/ou l'autre des éléments de l'échangeur de chaleur 1.

Il est possible que la plaque métallique 3 soit partiellement recouverte de matière, par exemple lors de la formation d'un des éléments de l'échangeur de chaleur 1, et que les encoches 20 soient partiellement ou totalement remplies par ladite matière. Un tel mode de réalisation entre également dans la portée de la présente invention. Même si les encoches 20 ne sont plus visibles à la surface de la plaque métallique 3, elles n'en demeurent pas moins présentes.

La présente invention concerne également un échangeur de chaleur 1 comprenant une surface d'échange de chaleur présentant une épaisseur de matière, ladite surface d'échange étant munie de protubérances 10 et d'encoches 20 obtenues par un procédé de structuration par griffage de la matière de ladite surface d'échange.

Un traitement de surface est une opération mécanique, chimique, électrochimique ou physique qui a pour conséquence de modifier l’aspect ou la fonction de la surface d'un matériau afin de l’adapter à des conditions d’utilisation données.

Lors d'un traitement de surface par griffage, la structure de la surface est créée par exemple avec un rouleau à pointe biseautée ou à burins. Lorsque le rouleau à pointe biseautée est en contact avec la surface d'échange thermique, notamment la plaque métallique 3 de l'échangeur de chaleur 1, des petites protubérances 10 présentant une forme de crochets sont délogées de ladite plaque métallique 3. Cependant, les protubérances 10 formées sont toujours connectées à la plaque métallique 3. La taille des protubérances 10 obtenues dépend de la taille des burins.

Cette technique de traitement de surface par griffage a initialement pour but de former des surfaces d'attache pour lier 2 éléments entre eux. Le demandeur à découvert de manière inattendue que les protubérances ainsi formées peuvent servir de perturbateur de fluide et de surface d'échange de chaleur. Selon un autre aspect, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un échangeur tel que décrit plus haut. Ledit procédé de fabrication comprend les étapes suivantes : - traitement de surface par griffage d'au moins une face d'une plaque métallique 3, - transformation de la plaque métallique 3 en une surface d'échange de l'échangeur tel qu'un tube 30 de circulations de fluide, une plaque 40 de circulations de fluide.

Les figures 6a à 6e illustrent de façon schématique les différentes étapes de fabrication d'un échangeur de chaleur selon l'invention. A la figure 6a, le traitement de surface de la plaque métallique 3 est représenté par des flèches verticales. Le traitement de surface par griffage correspond au procédé décrit plus haut. Le traitement de surface est ici réalisé sur les deux faces de la plaque métallique 3. La figure 6b représente la plaque métallique 3 après le traitement de surface par griffage. Les encoches 20 ne sont ici pas représentées. Une fois que la plaque métallique 3 a subit le traitement de surface par griffage, ladite plaque métallique 3 est repliée sur elle-même comme cela est représenté par une flèche circulaire à la figure 6c. La plaque métallique est ainsi transformée en un tube 30 de circulations de fluide, comme représenté à la figure 6d. Comme le traitement de surface par griffage a été réalisé sur les deux faces de la plaque métallique 3, le tube 30 de circulations de fluide présente des protubérances 10 sur sa face externe et sur sa face interne. Comme illustré à la figure 6e, une pluralité de tubes 30 de circulations de fluide ayant subi un traitement de surface par griffage sont alors empilés et sont fixées à des plaques collectrices 50. Des collecteur 55 d'entrée et de sortie viennent alors se positionner sur lesdites plaques collectrices 50 de sorte à obtenir un échangeur de chaleur 1 selon l'invention tel que représenté à la figure 1.

Selon un mode de réalisation de l'invention, les extrémités distales 12 des protubérances 10 d'une première surface d'échange de chaleur sont brasées à une deuxième surface d'échange de chaleur leur faisant face. Ceci s'applique à la fois aux tubes 30 de circulation de fluide et aux plaques 40 de circulation de fluide. Les protubérances 10 externes d'un tube 30 de circulation de fluide donné sont ainsi brasées à la surface externe d'un tube 30 de circulation de fluide adjacent et les protubérances 10 internes d'un tube 30 de circulation de fluide donné sont brasées à la face interne opposée du même tube 30 de circulation de fluide adjacent. Les protubérances 10 permettent ainsi de renforcer la structure mécanique de l'échangeur 1, en particulier d'augmenter la résistance à la pression interne.

Cette technique permet de réduire le nombre d'éléments utilisés dans l'échangeur de chaleur 1. Il en résulte une diminution de la masse de l'échangeur de chaleur, une réduction du temps de fabrication et une manipulation facilitée.