Brevet FR2656002A1 — publié le 19910621

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE SURFACE DE TRANSFERT THERMIOUE A HAUTE EFFICACITE ET SURFACE AINSI FABRIOUEE La présente invention concerne d'une façon générale les surfaces de transfert thermique et le procédé qui permet de fabriquer ces surfaces En particulier, l'invention concerne une surface poreuse permettant de porter à ébullition un li- quide d'une façon efficace, par exemple un liquide réfrigé- rant, et le procédé permettant de projeter à la flamme et de traiter un substrat métallique pour produire une telle sur- face. Il est bien connu que l'un des mécanismes les plus ef- ficaces pour transférer de la chaleur depuis une surface chauffée à un liquide en contact avec la surface est l'ébul- lition rucléée Dans le procédé d'ébullition nucléée, la chaleur transférée depuis la surface chauffée vaporise le liquide en contact avec elle et des bulles se forment La vapeur emprisonnée dans une bulle est surchauffée par la chaleur produite par la surface et la taille de la bulle augmente Lorsque la taille de la bulle est suffisante, la tension superficielle est dépassée et la bulle se détache de la surface Lorsque la bulle quitte la surface, du liquide pénètre dans le volume laissé vacant par la bulle et la va- peur restant dans le volume dispose d'une source de liquide supplémentaire à vaporiser pour former une autre bulle La formation continue de bulles à la surface, la libération des bulles de la surface et le remouillage de la surface, ainsi que l'effet de convexion des bulles de vapeur montant dans le liquide et mélangeant le liquide se traduisent, pour la surface de transfert thermique, par une amélioration de la vitesse de transfert thermique. Il est également bien connu que le procédé d'ébullition nuclée peut être amélioré si l'on arrange la surface de transfert thermique pour qu'elle possède des sites de nu- cléation qui fournissent des endroits permettant d'emprison- ner la vapeur et favorisent la formation de bulles de vapeur Le simple fait, par exemple, de rendre une surface de transfert thermique rugueuse produira des sites de nucléation qui peuvent améliorer les caractéristiques de transfert thermique de la surface par rapport à une surface lisse analogue. Dans les réfrigérants liquides en ébullition, par exemple dans l'évaporateur d'un système d'air conditionné ou de réfrigération, les sites de nucléation de type ré-entrant produisent des colonnes de bulles stables et de bonnes ca- ractéristiques de transfert thermique de la surface Un site de nucléation de type ré-entrant est une cavité superfi- cielle dans laquelle l'ouverture de la cavité est plus pe- tite que le volume sous la surface de la cavité Un flot en- trant excessif de liquide avoisinant peut inonder un site de nucléation de type ré-entrant et le désactiver Si l'on forme la surface de transfert thermique pour qu'elle possède des canaux communiquants sous la surface relativement plus gros, avec des ouvertures sur la surface relativement plus petites, on peut empêcher l'inondation des sites d'empri- sonnement de la vapeur ou de nucléation et améliorer les caractéristiques de transfert thermique de la surface. Année après année, d'après les principes ci-dessus, on a fait de nombreux efforts pour produire des surfaces de transfert thermique d'efficacité améliorée possédant des sites de nucléation sous la surface. Un procédé de fabrication d'une telle surface consiste à usiner, laminer ou meuler Plusieurs de ces procédés sont décrits dans le brevet U S n 3 696 861, le brevet U S no 3 768 290, le brevet U S ne 4 159 739 et le brevet U S n 4 438 807 Ces procédés ne se prêtent toutefois pas à la fa- brication d'une surface de transfert thermique sur un sub- strat de métal dur comme le titane. Un autre procédé est décrit dans le brevet U S n 4 129 181, dans lequel on prépare une surface métallique en appliquant d'abord une couche de mousse organique réticulée, puis en revêtant le substrat de mousse d'un fin revêtement métallique La couche de mousse est ensuite pyrolysée à une température dans l'intervalle de 149-2740 C ( 575-9800 F) Ce chauffage peut recuire le métal, ce qui se traduit par une dégradation de ses propriétés mécaniques. La projection à la flamme de particules métalliques sur un substrat métallique est un autre procédé de fabrication. Plusieurs variantes de cette technique ont été mises au point et décrites Dans le procédé décrit dans le brevet U S no 3 990 862, l'équilibre oxydant-gaz combustible est de prime importance Dans le procédé décrit dans le brevet U.S N 4 354 550, la surface doit être préchauffée avant d'être soumise à la projection à la flamme Dans le procédé décrit dans le brevet U S no 4 753 849, délivré à la de- manderesse, deux métaux différents sont projetés à la flamme sur un substrat métallique L'un des métaux est ensuite attaqué par un bain acide pour former des cavités sous la surface du substrat. Le procédé décrit dans le brevet U S N 4 359 086 com- bine les techniques d'usinage et de projection à la flamme et consiste à laminer et à meuler d'abord une surface, puis à effectuer la projection à la flamme sur les surfaces usinées pour former un revêtement poreux par dessus les canaux usinés de la surface. Il existe donc une demande pour une surface de trans- fert thermique de haute efficacité pour porter à ébullition des liquides, que l'on puisse fabriquer simplement, de façon économique et sans danger. L'invention a donc pour objet de produire une surface de transfert thermique ayant de meilleures propriétés de transfert thermique. L'invention a aussi pour objet d'offrir un procédé de fabrication d'une telle surface de transfert thermique à haute efficacité qui soit économique, simple et sans danger dans les opérations de fabrication à grande échelle. L'invention a encore pour objet d'offrir un procédé de fabrication d'une surface de transfert thermique à haute efficacité qui soit adaptable pour produire des propriétés optimales de transfert de chaleur sur des surfaces de compo- sitions métalliques diverses utilisées pour porter à ébulli- tion une variété de liquides. Ces objets de la présente invention et d'autres sont atteints grâce à un nouveau procédé d'application d'un revê- tement poreux sur un substrat métallique. Dans le procédé de l'invention, un substrat métallique est soumis à une projection à la flamme d'un mélange de poudre métallique et de poudre de matériau non métallique. Les particules de poudre métallique fusionnent sur le sub- strat et les unes aux autres, les particules de poudre non métallique venant se noyer dans le revêtement projeté à la flamme Un second revêtement peut être L déposé sur le premier revêtement grâce à une seconde projection à la flamme d'un mélange en poudre contenant une proportion différente de particules de poudre métallique et non métallique et/ou des particules de différentes tailles Le revêtement résultant est ensuite cuit, cette étape permettant aux particules non métalliques de se dégager à l'état gazeux et de ressortir du revêtement par diffusion, laissant des vides ou cavités dans le revêtement aux endroits o les particules non métalliques étaient noyées. Les diverses caractéristiques de la nouveauté qui ca- ractérisent l'invention sont discutées particulièrement dans la description qui va suivre Les dessins et les descriptions annexés, qui illustrent et décri- vent les modes de réalisation préférés de l'invention, permettent de mieux comprendre l'invention, ses avantages et les objectifs atteints grâce à son utilisation. Les dessins annexés font partie de la description Sur les divers dessins, des éléments identiques ou correspon- dants sont désignés par des références numériques iden- tiques. La figure 1 est une représentation schématique du pro- cédé de fabrication d'une surface de transfert thermique se- ion un mode de réalisation de la présente invention, dans lequel on applique un seul revêtement poreux sur un tube de cuivre échangeur thermique. La figure 2 est une représentation schématique du pro- cédé de fabrication d'une surface de transfert thermique se- ion un autre mode de réalisation de la présente invention, dans lequel un premier revêtement poreux, puis un second re- vêtement de porosité plus fine, sont appliqués sur un tube de cuivre échangeur thermique. Le mode de réalisation de la présente invention décrit ici convient particulièrement aux tubes échangeurs ther- miques utilisés dans les évaporateurs*des systèmes d'air conditionné ou de réfrigération Un tel évaporateur est ha- bituellement un échangeur de chaleur tubulaire dans lequel plusieurs tubes sont contenus dans une seule enveloppe Les tubes sont ordinairement disposés pour fournir une multipli- cité de trajets d'écoulement parallèles dans l'échangeur de chaleur pour le fluide à refroidir Les tubes sont immergés dans un réfrigérant qui s'écoule dans l'enveloppe de l'échangeur de chaleur Le fluide est refroidi par transfert thermique à travers les parois des tubes, ce qui vaporise le réfrigérant au contact des surfaces extérieures des tubes. Le pouvoir de transfert thermique d'un tel évaporateur est largement déterminé par les caractéristiques de transfert thermique de chacun des tubes. Bien que l'on décrive ici le mode de réalisation ci- dessus de l'invention, l'invention convient aussi bien à la formation d'une surface de transfert thermique à haute effi- cacité utilisable dans d'autres applications. Le procédé de fabrication d'une surface de transfert thermique à haute efficacité selon l'un des modes de réali- sation de l'invention est représenté schématiquement sur la figure 1, sur laquelle le tube de cuivre 21 est déplacé de gauche à droite tout en tournant autour de son axe longitu- dinal Dans ce mode de réalisation, on projette à la flamme, à l'aide d'un Thermo Spray METCO ou d'un procédé équivalent, sur la surface extérieure du tube 21, préalablement nettoyée et préparée par sablage ou par un autre procédé convenable (non représenté), un mélange de particules de cuivre pulvé- rulent et de particules de matière plastique pulvérulente, comme du poly(méthacrylate de méthyle) (par exemple Lucite 4 F de Du Pont), pour former le revêtement 22 sur la surface extérieure du tube 21 Dans le procédé de projection à la flamme, un mélange des deux poudres 44 est chargé dans un pistolet de projection à la flamme 41, dirigé vers le tube 21 Le mélange pulvérulent 44 est projeté hors de la tuyère 47 du pistolet par un gaz d'aspiration 42 Il y a aussi une alimentation de gaz combustible 43 dans le pistolet 41 qui débouche dans la tuyère 47 et brûle Les gaz qui brûlent 46 font fondre le cuivre, mais pas les particules de poudre de plastique, à mesure qu'elles se déposent sur la surface ex- térieure du tube 21 Le revêtement 22 ainsi formé sur la surface extérieure du tube 21 est constitué de particules de cuivre fusionnées à la fois au tube et les unes aux autres et de particules de matière plastique noyées dans les parti- cules de cuivre fusionnées Le tube revêtu est ensuite placé dans un four 45, dans lequel il est cuit à une température convenable et pendant une durée convenable pour oxyder en- tièrement la matière plastique (en phase vapeur et gaz car- bonique) et la faire diffuser hors du revêtement A l'issue de l'étape de cuisson, il reste des vides dans le revêtement aux endroits o les particules de poudre de plastique étaient antérieurement noyées On décrit ici une cuisson au four, mais on peut employer n'importe quel moyen convenable pour chauffer les particules de poudre de plastique jusqu'à une température qui provoquera leur décomposition et leur diffusion hors du revêtement. La figure 2, sur laquelle un tube de cuivre 21 se dé- place aussi de gauche à droite et tourne autour de son axe longitudinal, décrit schématiquement le procédé de fabrica- tion d'une surface de transfert thermique à haute efficacité selon un autre mode de réalisation de l'invention Dans ce mode de réalisation, le revêtement 22 est appliqué sur la surface extérieure du tube 21, comme on l'a décrit dans la discussion concernant le mode de réalisation représenté par la figure 1 Ensuite, au moyen d'un second pistolet de pro- jection à la flamme 51 et des mêmes procédé et appareillage que décrits ci-dessus, on applique un second mélange de poudres 52 sur le tube 21 par projection à la flamme, pour former un second revêtement 31 sur le premier revêtement 22. On peut, bien entendu, utiliser le même pistolet de pro- jection à la flamme pour appliquer les deux revêtements Le tube revêtu est ensuite chauffé comme décrit ci-dessus pour le procédé représenté sur la figure 1 Le second mélange en poudre 52 est également composé de particules de cuivre pulvérisé et de particules de matière plastique pulvérisée, comme de poly(méthacrylate de méthyle), mais diffère du mélange en poudre utilisé pour former le premier revêtement par le fait que les proportions des poudres de cuivre et de matière plastique dans le mélange et la taille des parti- cules de poudres sont telles qu'elles produisent, lorsque la matière plastique est éliminée par cuisson du revêtement, une structure de pores ou de cavités plus fine ou plus pe- tite dans le second revêtement, par rapport à la structure dans le premier revêtement Il en résulte une surface de transfert thermique possédant des canaux sous la surface raccordés entre eux, relativement plus gros, avec des pores ou des cavités relativement plus petits sur la surface. Le procédé de fabrication décrit dans la présente in- vention peut s'adapter à la production d'une surface de transfert thermique poreuse, à haute efficacité, sur d'autres types de surfaces de transfert thermique, comme des plaques, et au moyen d'autres métaux, comme l'aluminium, comme substrat La poudre métallique utilisée dans le mé- lange ou les mélanges de poudre formant la projection peut être de même composition métallique que le substrat, mais être constituée d'un métal différent, par exemple aluminium sur cuivre. La taille des particules de poudre métallique et des particules de poudre non métallique, les proportions de ces deux poudres dans le mélange en poudre à projeter et le fait d'utiliser un procédé de simple revêtement ou de double re- vêtement sont des variables que l'on peut modifier pour pro- duire une configuration particulière de la surface de trans- fert thermique qui soit optimale pour le liquide particulier à porter à ébullition, en se fondant sur les propriétés d'ébullition et d'écoulement de ce liquide. Le procédé de fabrication décrit dans cette invention fournit un moyen simple et rentable de produire une surface de transfert thermique à haute efficacité et évite les pro- cédés mécaniques compliqués et l'utilisation de produits chimiques dangereux et corrosifs employés dans les procédés de l'art antérieur Le procédé est adaptable, lorsqu'on l'utilise pour produire des tubes échangeurs thermiques, à la production rapide de grandes quantités de tubes à haute efficacité. La poudre de poly(méthacrylate de méthyle) convient particulièrement bien pour être utilisée comme constituant non métallique du mélange en poudre à projeter, car les gaz produits lors de la décomposition des particules de poudre dans le procédé de cuisson et de la diffusion hors du revê- tement sont non toxiques et sans danger pour l'environ- nement. Bien que l'invention ait été décrite pour les modes de réalisation particuliers indiqués, elle n'est pas limitée aux détails de ces modes de réalisation et l'homme de l'art saura y apporter toute variante conforme à son esprit. R E V E N D I C A T I O N S 1 Surface de transfert thermique produite par un procédé comprenant les étapes suivantes: projection à la flamme d'un revêtement( 22)constitué d'un mélange de particules de poudre métallique et de poudre de poly(méthacrylate de méthyle) sur un substrat métallique ( 21), de telle manière que les particules de poudre métallique soient fusionnées au substrat métallique( 21)et les unes aux autres et que les particules de poudre de poly(méthacrylate de méthyle) forment des interstices parmi les particules de poudre métallique; et chauffage du revêtement( 22)pour éliminer les particules de poudre de poly(méthacrylate de méthyle) du revêtement( 22) en formant des vides aux sites préalablement occupés par les particules de poudre de poly(méthacrylate de méthyle); projection à la flamme sur le revètement( 22)d'un second revêtement( 31)composé d'un second mélange de particules de poudre métallique et de poudre de poly(méthacrylate de mé- thyle), de manière à ce que des parties des particules de poudre métallique du second mélange soient fusionnées au re- vêtement( 22)et les unes aux autres et que les particules de poudre de poly(méthacrylate de méthyle) du second mélange forment des interstices parmi les particules de poudre métallique du second mélange.