Brevet FR2695326A1 — publié le 19940311

-1 - La présente invention concerne une matrice métallique en tôle fine qui constitue le support des éléments catalyseurs d'un réacteur destiné à traiter, par des réactions catalytiques de conversion, les gaz d'échappement des moteurs de véhicules automobiles ou d'une façon plus générale à traiter des gaz brûlés. D'une façon encore plus générale, cette matrice pourra être utilisée chaque fois qu'un effet d'homogénisation par brassage dans un écoulement fluide sera recherché. On sait que la réaction catalytique consiste à obtenir la conversion de produits tel le monoxyde de carbone CO, les oxydés d'azote N Ox ou des combustibles imbrûlés Cm Hn contenus dans les gaz d'échappement des véhicules automobiles en des gaz moins nocifs pour l'environnement La réaction est initialisée à une température convenable en faisant entrer en contact simultanément, par exemple, l'oxygène et le monoxyde de carbone contenus dans le gaz à traiter avec un catalyseur tel le platine déposé sur les surfaces des parois de la matrice du réacteur (ce dernier étant souvent intégré dans un pot d'échappement catalytique). Pour que l'activité catalytique soit élevée il est indispensable d'une part que chaque élément fluide du gaz d'échappement vienne au cours de la traversée du réacteur, à un moment ou un autre, lécher une paroi de la matrice et d'autre part que la température de cette matrice reste dans une fourchette convenable La borne inférieure de cette fourchette de températures est celle qui permet le déclanchement de l'activité catalytique, la borne supérieure'est celle à partir de laquelle commence la dégradation des catalyseurs. De nombreuses matrices actuellement utilisées ont une structure en nid d'abeille et sont obtenues soit par enroulement simultané de deux tôles fines métalliques, l'une ondulée et l'autre lisse, soit par extrusion d'une céramique Cette façon de procéder fait que la matrice est constituée par un très grand nombre de canaux accolés les uns aux autres dont la section est de l'ordre du mm 2 et dont la longueur de l'ordre de 100 mm L'écoulement des gaz ne peut se faire dans 2 5 ces tubes parallèles que de façon laminaire, ce qui limite l'efficacité du réacteur En outre, cette disposition entraîne généralement au centre du réacteur des températures plus élevées qu'en périphérie, lesquelles peuvent souvent aller jusqu'à dégrader dans cette zone les catalyseurs et même détruire le support. Une meilleure solution consiste à utiliser une matrice métallique fabriquée à partir d'une tôle 3 O fine munie de fentes et d'ondulations judicieusement placées de façon que lorsque cette tôle est enroulée sur elle-même en même temps qu'une autre tôle lisse mais comportant des perforations ou en même temps que des rubans de tôle lisse comme on le verra plus loin, il se forme une multitude de petits canaux très courts tous placés parallèlement à l'axe général d'enroulement de la tôle mais imbriqués et décalés les uns par rapport aux autres si bien que les arêtes des parois d'un 3 5 canal se trouvent placées dans le flux de sortie des canaux immédiatement en amont. -2 - Une telle disposition a pour avantage que l'écoulement gazeux au travers du réacteur est sans cesse divisé, séparé et recombiné ce qui n'est pas le cas dans les matrices présentant une forme de nid d'abeille à canaux continus comme, par exemple, les matrices en céramique extrudée. En outre le fait que les canaux soient très courts entraine que le régime laminaire, qui devrait normalement exister compte tenu de la section des canaux et de la vitesse moyenne de l'écoulemement des gaz d'échappement dans le réacteur, n'a pas le temps de s'établir L'écoulement turbulent à l'entrée de chaque canal associé à l'effet de brassage évoqué plus haut a les conséquences bénéfiques suivantes: assez rapidement après l'entrée du flux gazeux dans la matrice l'écoulement se répartit 1 O sur toute la section droite de la matrice avec une vitesse qui tend à devenir uniforme, l'activité catalytique est considérablement plus élévée que celle que l'on aurait avec des canaux continus, car la matrice entière est concernée par l'écoulement, lequel, de plus, est turbulent, l'activité catalytique étant très forte, il n'est plus nécessaire d'utiliser des canaux ni 1 5 aussi petits ni aussi nombreux que dans les matrices à canaux continus Il en résulte d'une part que la perte de charge pour l'écoulement est moins élevée et d'autre part que la matrice, mettant en oeuvre une moins grande quantité de métal, a une inertie thermique plus faible, ce qui lui permet d'atteindre plus vite la température à partir de laquelle se produit la réaction catalytique, la matrice présente une résistance très grande à la surchauffe locale quand des gouttelettes de combustible imbrûlées entrent dans les canaux et s'enflamment à nouveau La grande conductivité thermique des parois métalliques d'une part, et, d'autre part l'effet de brassage décrit plus haut qui permet de diluer rapidement la bulle de gaz brûlant dans le reste de l'écoulement, empêchent la matrice d'atteindre la température de destruction du catalyseur. L'invention sera mieux comprise grâce à la description ci-après qui se rapporte à un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif et expliqué avec référence aux dessins schématisés annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue perspective d'une portion de tôle fine munie de fentes et 3 O d'ondulations, encore appelée tôle à motifs, la figure 2 est une vue perspective de l'assemblage de deux portions de tôle à motifs, la figure 3 est un schéma indiquant comment l'écoulement gazeux peut se produire dans le sens transversal au plan général d'assemblage des tôles à motifs, la figure 4 est un schéma perspectif qui montre une matrice de réacteur obtenue par 3 5 enroulement simultané d'une tôle à motifs et de rubans d'interposition. Conformément à l'invention et faisant référence à la figure 1 on distingue que la tôle à motifs est organisée en bandes alternées de deux types différents: les unes de type (A), les autres de type (B) Ces bandes sont séparées les unes des autres par des lignes de fentes discontinues et périodiques permettant la formation pour les bandes de type (A) d'ondulations en 3 - saillie suivant le motif répétitif dont l'arête est le profil trapézoidal (a) (b) (c) (d) et pour les bandes de type (B) d'ondulations en creux suivant le motif répétitif dont l'arête est le profil (a) (e) (f) (g) (h) (d), lequel comporte une partie trapézoïdale en creux (e) (f) (g) (h) La longueur du profil (a) (b) (c) (d) est égale à la longueur du profil (a) (e) (f) (g) (h) (d) pour que le formage des ondulations se fasse sans pli ni déchirure La cohésion de la tôle, c'est à dire la liaison des bandes de type (A) et des bandes de type (B) entre elles, est assurée par les intervalles de tôle non entamée tels que (d) (a) qui subsistent entre les fentes. En outre la hauteur du motif en saillie au dessus du plan initial de la tôle est égale à la profondeur du motif en creux en dessous du même plan, et la longueur de l'intervalle (d) (a) est 1 i O égale sensiblement à la longueur de l'arête (f) (g) On appellera dans la suite cette tôle fendue et ondulée "tôle à motifs" On observe qu'elle est munie d'un grand nombre d'ouvertures ( 9) dont la section est constituée par deux trapèzes de types (a) (b) (c) (d) et (e) (f) (g) (h) accolés l'un à l'autre par leurs grandes bases respectives, les milieux de ces grandes bases étant en coïncidence. La figure 2 montre comment sont assemblées deux portions de tôle à motifs, dont on a limité volontairement la représentation sur chacune à deux bandes contiguës de type (A) et de type (B) La portion de tôle inférieure ( 1) et la portion de tôle supérieure ( 2) sont placées de façon que leurs bandes respectives de type (A) soient placées l'une au dessous de l'autre Il en est de même pour leurs bandes respectives de type (B) La colonne des motifs en creux d'une bande de type (B) de la tôle supérieure ( 2) vient alors s'engager entre les motifs en saillie de deux bandes de 2 O type (A) de la tôle inférieure ( 1) Pour limiter la pénétration de la tôle supérieure dans la tôle inférieure et éviter leur superposition complète, un ruban de tôle lisse d'interposition ( 3) est placé entre les bandes de type (B) des tôles ( 1) et ( 2) Ce ruban est en outre prisonnier entre les arêtes de type (a) (b) ou de type (c) (d) de la tôle inférieure ( 1) Il apparait clairement que, du fait de l'interpénétration des motifs en creux et des motifs en saillie, les tôles ( 1) et ( 2) ne peuvent plus glisser l'une par rapport à l'autre dans le sens perpendiculaire aux bandes de type (A) ou de type (B). On montre sur la figure 2 par des- flèches bifides comment le flux gazeux, dont le sens général de circulation se fait suivant la direction de la flèche (F), se divise et se recombine en permanence grâce à l'action des arêtes de type (b-c) ou (h-e) que l'on appellera ultérieurement 3 O arêtes circonférentielles La turbulence recherchée est ainsi obtenue. On montre sur la figure 3, par des flèches courbes, comment l'écoulement gazeux a la possibilité de se déplacer d'une tôle à l'autre grâce aux interstices qui subsistent entre les motifs de deux tôles superposées Ces interstices résultent de la différence de longueur entre grande base et petite base respectivement des trapèzes de type (a-b-c-d) et de type (e-f-g h) Le passage d'une 3 5 tôle à l'autre se fait aussi bien lorsque les motifs sont centrés l'un par rapport à l'autre comme cela est indiqué figure 3 a que lorsque les motifs sont décalés l'un par rapport à l'autre comme cela est indiqué figure 3 b. La figure 4 montre comment en partant d'une tôle à motifs ( 4) comportant un nombre important de bandes de type (A) et du type (B) et de quelques rubans d'interposition, ici repérés -4- ( 5) et ( 6), et placés au droit des bandes de type (B), on peut former par enroulement une matrice de réacteur catalytique On obtient la configuration d'imbrication des motifs de type (a-b-c-d) et des motifs de type (a-e-f- g-h-d) décrite plus haut En fin d'enroulement, on veille à faire faire aux rubans d'interposition ( 5) et ( 6) une fraction de tour de rotation au delà de l'extrémité de la tôle à motifs de façon à pouvoir lier ces rubans à eux-mêmes grâce, par exemple, aux points de soudure ( 7) et ( 8). La matrice ainsi obtenue a une bonne stabilité géométrique En effet, d'une part les rubans ( 5) et ( 6) soudés sur eux-mêmes forment des anneaux qui empêchent la tôle à motifs ( 4) de se dérouler et, d'autre part, l'imbrication des motifs au cours de l'enroulement et le fait que les arêtes 1 O radiales des motifs d'une couche viennent en butée avec les arêtes circonférentielles des motifs de la couche immédiatement inférieure empêchent tout glissement hélicoïdal ou axial d'une couche de l'enroulement par rapport à une autre couche voisine Il en résulte alors que cette matrice présente une très bonne résistance aux sollicitations mécaniques et en particulier aux vibrations. -5 - REVENDICATIONS l Matrice, destinée entre autres applications à la fabrication de turbulateurs pour l'homogénisation des fluides en écoulement et plus particulièrement à la fabrication de réacteurs catalytiques de traitement des gaz d'échappement de moteurs à combustion, constituée par des tôles métalliques fendues et ondulées, appelées tôles à motifs, et de rubans de tôle lisse, enroulés ensemble ou empilés les uns sur les autres, caractérisée d'une part en ce que la tôle à motifs ( 1) comporte des bandes alternées de type (A) et de type (B) lesquelles sont séparées par des lignes de fentes identiques disposées à intervalles réguliers et sont munies d'un côté de chaque fente d'une ondulation en saillie suivant un motif répétitif et de l'autre côté de la même fente d'une ondulation 1 i O en creux suivant un autre motif répétitif, et d'autre part en ce que les rubans de tôle lisse ( 3) reposent tous sur des bandes de même type, soit (A) soit (B), de la tôle à motifs. 2 Matrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que la tôle à motifs comporte, du côté des fentes o se trouvent les bandes de type (A), des motifs répétitifs dont l'arête est le profil trapézoïdal en saillie de type (a-b-c-d), et du côté des fentes o se trouvent les- bandes de 1 5 type (B), des motifs répétitifs dont l'arête est-le profil de type (a-e-f-g-h-d) avec une partie trapézoïdale en creux (e-f- g-h), les longueurs développées respectives de ces deux profils étant égales, la hauteur-de la saillie étant sensiblement égale à la profondeur du creux, et tels que la longueur de l'arête (b-c) constituant la petite base du trapèze d'un motif en saillie est d'une part sensiblement égale à la distance entre le point (h) d'un motif en creux et le point (e) du motif en creux qui suit immédiatement et, d'autre part, est supérieure à l'intervalle (d-a) entre deux fentes consécutives. 3 Matrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que la largeur des rubans de tôle lisse ( 3) est inférieure ou au plus égale à la largeur des bandes de type (A) ou de type (B) de la tôle à motifs ( 1) sur lesquelles ils reposent. 4 Matrice selon les revendications 1, 2 et 3, obtenue par enroulement spirale d'une tôle à motifs ( 4) et de rubans de tôle lisse ( 5) et ( 6) caractérisée en ce que ces derniers ont une longueur supérieure à la longueur de la tôle à motifs pour pouvoir réaliser une fraction de tour supplémentaire de façon que chaque ruban se recouvre et puisse alors être lié à lui-même. Matrice selon les revendications 1, 2, 3 et 4 caractérisée en ce que la liaison de chaque ruban avec lui-même est réalisée par soudage ou brasage ou agrafage ou collage.