Brevet FR2816046A1 — publié le 20020503

L'invention concerne le domaine des échangeurs de chaleur fabriqués par assemblage de plaques brasées. Les vaporiseurs/condenseurs des appareils de séparation d'air sont généralement, depuis quelques dizaines d'années, réalisés en aluminium ou en alliage d'aluminium au moyen de plaques brasées entre elles. Ils peuvent aussi être réalisés en cuivre, nickel, acier inoxydable, ou tout autre métal brasable. Ces échangeurs sont généralement constitués de deux ou plusieurs circuits, définis grâce à la configuration des plaques qui les constituent et des éventuels éléments de séparation des plaques tels que des ondes d'échange thermique, que l'échangeur peut renfermer. Les différents circuits de circulation des fluides sont reliés au reste de l'installation grâce à un système de tuyauteries soudées sur l'échangeur. Le dépôt du matériau servant à constituer la brasure se fait classiquement par dépôt d'une poudre, de fils ou de feuillards sur les zones de l'échangeur à braser. Ce dépôt peut être effectué soit sur les plaques de l'échangeur, soit sur les ondes d'échange thermique. Compte tenu du nombre et de la longueur des zones à braser, I'opération de dépôt du matériau de brasure est très coûteuse et peu fiable. Dans le cas des poudres, se pose le problème de leur répartition sur la zone de brasage. D'autre part, de manière :0 générale, les matériaux utilisés pour la brasure sont souvent des alliages nobles, contenant par exemple de l'argent en quantité importante. Ces alliages étant très coûteux, il serait intéressant de minimiser autant que possible la quantité d'alliage de brasure utilisée, sans pour autant compromettre la qualité du brasage qui dépend notamment de la régularité de l'épaisseur d'alliage déposée. De ce dernier point de vue, le procédé de dépôt de l'alliage de brasage sous forme de feuillards est intéressant, en ce que l'épaisseur du matériau de brasage lui-même peut être correctement maîtrisée. Cependant, après leur dépôt sur la zone à braser, ces feuillards peuvent présenter des ondulations et des plis qui rendent l'efficacité de la brasure aléatoire. Le but de l'invention est de proposer un procédé de fabrication des échangeurs de chaleur à plaques par brasage, dans lequel le matériau de brasage est déposé sous forme de feuillards, présentant une meilleure fiabilité que les procédés de ce type actuellement utilisés. A cet effet, I'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur à plaques du type comportant une pluralité de plaques et éventuellement des éléments de séparation, en un matériau brasable, définissant des circuits pour la circulation de fluides et assemblés les unes aux autres par brasage, ledit brasage ayant lieu après le dépôt de feuillards d'alliage de brasage sur les zones à braser, caractérisé en ce qu'on réalise un colaminage desdits feuillards et desdites zones à braser avant ledit brasage. s Dans un exemple privilégié de mise en oeuvre de ce procédé, lesdites zones à braser sont en cuivre et lesdits feuillards sont en un alliage à base de cuivre et comprenant au moins l'un des éléments choisis parmi l'argent, l'arsenic, le manganèse, l'étain, le phosphore, le silicium, le béryllium, le tellure, le nickel. l0 Lesdits feuillards ont préférentiellement une épaisseur comprise entre 100 ptm et 10 pm après ledit colaminage. Ledit colaminage peut comprendre une étape de laminage à chaud desdits feuillards sur lesdites zones à braser, puis éventuellement une étape de laminage à froid. Le matériau des zones à braser et le matériau des feuillards sont, dans ce cas, préférentiellement susceptibles de former une solution solide. En particulier, lesdites zones à braser peuvent être en cuivre ou alliage de cuivre, et lesdits feuillards peuvent être en argent ou en un alliage à base d'argent. Ledit colaminage peut aussi consister en un laminage à froid desdits feuillards sur lesdites zones à braser. Dans ce cas, lesdites zones à braser peuvent être en cuivre ou alliage de cuivre et lesdits feuillards peuvent être composés d'au moins un des éléments choisis parmi l'arsenic, le manganèse, l'étain, le phosphore, le silicium, le béryllium, le tellure, le nickel. Le procédé selon l'invention peut comporter le dépôt successif d'au moins deux feuillards de matériau de brasage sur les zones à braser, ledit colaminage étant effectué après le dépôt du dernier desdits feuillards. Un colaminage intermédiaire peut être effectué après le dépôt d'au moins l'un desdits feuillards autre que le dernier. Préalablement à la réalisation de la brasure, on peut réaliser un traitement thermique pour obtenir une diffusion entre lesdits feuillards. On peut également déposer, préalablement au colaminage, un matériau pulvérulent entre la plaque de matériau brasable et lesdits feuillards et/ou entre lesdits feuillards déposés successivement. L'invention a aussi pour objet un échangeur de chaleur à plaques du type comportant une pluralité de plaques et éventuellement des éléments de séparation en un matériau brasable définissant des circuits pour la circulation de fluides et assemblées les unes aux autres par brasage, caractérisé en ce qu'il est susceptible d'être obtenu par le procédé précédent. Comme on l'aura compris, I'invention consiste essentiellement à réaliser un colaminage du ou des feuillards qui ont été déposés sur les zones à braser, préalablement à l'opération de brasage elle-même. On obtient ainsi une couche de matériau de brasage dont l'épaisseur est parfaitement régulière, et dont l'adhérence sur la zone à braser est satisfaisante en tous points. On optimise ainsi la qualité de la brasure, de même que la quantité de matériau de brasage utilisée. De préférence, les feuillards de matériau de brasage sont déposés sur les plaques de l'échangeur. Un dépôt sur les ondes d'échange thermique que peuvent comporter les échangeurs serait envisageable, mais il devrait avoir lieu sur les deux faces des ondes, et avant leur mise en forme. On serait ainsi contraint d'utiliser des quantités de matériau de brasage plus importantes que dans le cas d'un dépôt sur les plaques, et le procédé de dépôt serait plus complexe. Comme matériau constituant les plaques de l'échangeur, le cuivre est un exemple privilégié (en particulier lorsqu'il se trouve à l'état recuit), mais les autres métaux brasables bons conducteurs de la chaleur qu'il est habituel d'utiliser à cet effet peuvent aussi convenir: I'aluminium, le nickel ou l'acier inoxydable par exemple. Comme matériaux pouvant constituer le matériau de brasage, on peut utiliser l'argent, I'arsenic, le cuivre, le manganèse, le nickel, I'étain, le phosphore, le silicium, le béryllium, le tellure. Les feuillards de matériau de brasage peuvent être constitués par l'un de ces éléments à l'état pratiquement pur, ou par un alliage de deux ou plus de ces éléments. Lorsqu'on désire réaliser un matériau de brasage comportant plusieurs des éléments précités, on peut déposer sur la zone de brasage un feuillard unique ayant directement la composition désirée. Mais il est aussi possible de déposer successivement, les uns sur les autres, au moins deux feuillards de compositions différentes, le colaminage ayant lieu après le dépôt du dernier feuillard. En variante, en plus du colaminage final, on peut réaliser un ou des colaminages intermédiaires après le dépôt d'au moins l'un desdits feuillards autres que le dernier. Dans le cas du dépôt de matériau de brasage en plusieurs couches successives, il est envisageable de procéder, après le colaminage et avant la réalisation de la brasure, à un traitement thermique ayant pour but de réaliser une diffusion partielle ou totale des éléments composant les feuillards les uns dans les autres, de manière à obtenir un matériau de brasage plus homogène avant la réalisation de la brasure. Cependant, si l'expérience montre qu'une brasure d'une qualité suffisante peut être obtenue sans un tel traitement thermique, il est bien entendu possible de procéder à la brasure directement après le colaminage. Le colaminage peut être effectué par un laminage à chaud, éventuellement suivi d'un laminage à froid, ou être effectué par un laminage à froid seul. Chacune de ces opérations de laminage peut être effectuée en une ou plusieurs passes, selon la nature des matériaux mis en jeu, leurs épaisseurs et les caractéristiques de l'installation de laminage, en particulier les efforts qu'elle est capable d'appliquer aux matériaux. Le laminage à chaud présente l'avantage de fournir une partie de l'énergie nécessaire au colaminage sous une forme thermique plutôt que sous une forme mécanique, et nécessite donc pour l'obtention d'une réduction d'épaisseur donnée une installation de laminage pouvant fournir de moindres efforts mécaniques qu'une installation de laminage à froid. Mais l'échauffement risque d'accentuer exagérément les différences de comportement entre les différents matériaux, et la qualité de leurs liaisons risque donc de ne pas être optimale. De manière générale, le colaminage par laminage à chaud (puis éventuellement à froid) est bien adapté aux matériaux qui sont aptes à former une solution solide. C'est notamment le cas du cuivre et de l'argent, pour la brasure desquels l'invention trouve un exemple d'application privilégié. L'argent et ses alliages étant un matériau de brasage coûteux, il est particulièrement intéressant d'en minimiser la quantité utilisée grâce au procédé selon l'invention. C'est également le cas du cuivre et du nickel. Les matériaux ne formant pas de solution solide sont, de préférence, colaminés par laminage à froid uniquement. C'est le cas, par exemple du cuivre et de l'étain, du cuivre et du phosphore etc. Une fois le colaminage et l'éventuel traitement thermique effectués, et l'échangeur assemblé, la brasure est effectuée en introduisant l'échangeur dans un four qui le porte à une température adéquate pour la réalisation de la brasure, comme il est déjà connu. A titre d'exemple, on peut proposer de procéder au colaminage d'une plaque de base en cuivre de 10 mm d'épaisseur et de deux feuillards de nickel de 1 mm d'épaisseur qui la prennent en sandwich, à une température de 650 à 700 C, pour obtenir par cette seule opération de colaminage à chaud une plaque de 1,2 mm d'épaisseur prête à être brasée. On peut également proposer de procéder au colaminage d'une plaque de base en cuivre recuit de 2 mm d'épaisseur et de deux feuillards d'alliage CuNi-Sn-P de 0,15 mm d'épaisseur qui la prennent en sandwich. On réalise ce colaminage à froid à la température ambiante, et on obtient une plaque de 0,8 mm d'épaisseur prête à être brasée. Enfin, selon l'invention, il est également possible de réaliser le colaminage de la plaque de base et du feuillard de matériau de brasage en présence d'une couche intermédiaire d'un matériau pulvérulent. Celui-ci va ainsi entrer dans la composition du matériau de brasage définitif après le colaminage. A titre d'exemple de ce dernier mode opératoire, on peut déposer sur une plaque de base de cuivre recuit de 2 mm d'épaisseur une couche de poudre nickel-phosphore de 70 pm d'épaisseur, puis un feuillard d'alliage cuivre-étain de 100 ptm d'épaisseur. On colamine l'ensemble à la température ambiante, pour obtenir une plaque de 0,8 mm d'épaisseur prête à être brasée. Lorsqu'on utilise plusieurs feuillards d'alliage de brasage déposés successivement sur la plaque de base, il est envisageable de déposer du matériau pulvérulent entre lesdits feuillards, en plus ou à la place du dépôt de ce matériau entre la plaque de base et le premier feuillard. L'invention est applicable à tout type d'échangeur à plaques assemblées par brasage, quelles que soient ses applications et ses dimensions, les vaporiseurs/condenseurs d'appareils de séparation d'air n'étant qu'un exemple d'application privilégié. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur à plaques du type comportant une pluralité de plaques et éventuellement des éléments de séparation, en un matériau brasable, définissant des circuits pour la circulation de fluides et assemblés les unes aux autres par brasage, ledit brasage ayant lieu après le dépôt de feuillards d'alliage de brasage sur les zones à braser, caractérisé en ce qu'on réalise un colaminage desdits feuillards et desdites zones à braser avant ledit brasage. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites io zones à braser sont en cuivre et en ce que lesdits feuillards sont en un alliage à base de cuivre et comprenant au moins l'un des éléments choisis parmi l'argent, l'arsenic, le manganèse, l'étain, le phosphore, le silicium, le béryllium, le tellure, le nickel. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits feuillards ont une épaisseur comprise entre 100 ptm et 10 pjm après ledit colaminage. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit colaminage comprend une étape de laminage à chaud desdits feuillards sur lesdites zones à braser, puis éventuellement une étape de laminage à froid. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le matériau des zones à braser et le matériau des feuillards sont susceptibles de former une solution solide. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdites zones à braser sont en cuivre ou alliage de cuivre, et en ce que lesdits feuillards sont en argent ou en un alliage à base d'argent. 7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdites zones à braser sont en cuivre ou alliage de cuivre, et en ce que lesdits feuillards sont en nickel ou en un alliage à base de nickel. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit colaminage consiste en un laminage à froid desdits feuillards sur lesdites zones à braser. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdites zones à braser sont en cuivre ou alliage de cuivre et lesdits feuillards sont composés d'au moins un des éléments choisis parmi l'arsenic, le manganèse, l'étain, le phosphore, le silicium, le béryllium, le tellure, le nickel. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte le dépôt successif d'au moins deux feuillards de matériau de brasage sur les zones à braser, ledit colaminage étant effectué après le dépôt du dernier desdits feuillards. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'un colaminage intermédiaire est effectué après le dépôt d'au moins l'un desdits feuillards autre que le dernier. 12. Procédé selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que, préalablement à la réalisation de la brasure, on réalise un traitement o10 thermique pour obtenir une diffusion entre lesdits feuillards. 13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que lesdits feuillards sont déposés sur les plaques de l'échangeur. 14. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'on dépose préalablement au colaminage un matériau pulvérulent entre la plaque de matériau brasable et lesdits feuillards, et/ou entre lesdits feuillards déposés successivement. 15. Echangeur de chaleur à plaques du type comportant une pluralité de plaques et éventuellement des éléments de séparation en un matériau brasable définissant des circuits pour la circulation de fluides et assemblées les unes aux autres par brasage, caractérisé en ce qu'il est susceptible d'être obtenu par le procédé selon l'une des revendications 1 à 14.