Brevet FR2921472A1 — publié le 20090327

RFR0421 Revêtement pour matériau d'échangeur de chaleur L'invention se rapporte au domaine des échangeurs de chaleur et notamment aux échangeurs de chaleur destinés à être parcourus par un fluide. On connaît à l'heure actuelle des tubes pour échangeurs de chaleur dont les extrémités sont classiquement fixées respectivement à deux boîtes collectrices. Ces tubes forment le faisceau d'échange de l'échangeur de chaleur. En effet, un fluide caloporteur/calorifique, classiquement un liquide du type liquide de refroidissement, circule à l'intérieur des tubes et échange de la chaleur avec un autre fluide, classiquement de l'air, circulant à l'extérieur des tubes. Le fluide, en particulier lorsqu'il se présente essentiellement sous forme liquide, devient avec l'usage du véhicule est généralement corrosif pour le métal constituant le tube. Classiquement, on revêt l'âme des parois du tube, c'est-à-dire son coeur, d'une couche de revêtement destinée à être en contact avec le fluide et à agir comme une couche de protection sacrificielle, en particulier contre les chlorures. Ainsi, cette couche de revêtement est corrodée sans que soit attaquée l'âme de la paroi du tube. Cette couche de revêtement contient du zinc pour un pourcentage proche de 1% en masse. Cette fonction de couche sacrificielle constitue la première fonction de la couche de revêtement des tubes d'échangeurs de chaleur. 1 2 Néanmoins, il a été constaté que la corrosion d'une paroi métallique n'est pas un phénomène uniforme, c'est-à-dire que la corrosion se produit par piqûration, créant des dégradations localisées de la couche de revêtement. Le phénomène de piqûration des tubes est la combinaison d'un phénomène de corrosion et d'érosion. En effet, la couche proche de la zone de piqûration n'est pas stable (immobile) mais les produits de corrosion sont entraînés par l'écoulement plus loin dans le circuit pour faire place à un nouvel équilibre chimique. Il s'agit donc d'un phénomène dynamique de thermo-chimie. Or, lorsque le débit du fluide circulant dans les tubes est élevé, la corrosion par piqûration est aggravée car la résistance mécanique des couches de revêtement est très faible et bien inférieure à la résistance mécanique de l'âme. Ceci provoque, dans le cas d'un débit de fluide élevé, par exemple de l'ordre de 60 1/mn à 20 1/mn (litres/minute), une corrosion particulièrement rapide des tubes de l'échangeur de chaleur, conduisant à une usure rapide des tubes et à des fuites. La seule solution envisagée jusqu'à présent a consisté à augmenter l'épaisseur de la couche de revêtement de sorte que cette dernière peut supporter plus longtemps ces phénomènes de corrosion accélérés, lorsque le débit de fluide est élevé. Cette solution n'est pas satisfaisante car elle n'améliore que temporairement la durée de vie des tubes. De plus, en ajoutant de l'épaisseur à la couche de revêtement, on augmente l'épaisseur du tube et donc la taille de l'échangeur de chaleur tout en réduisant l'échange 3 thermique en raison d'une épaisseur matière (résistance à la conduction thermique) plus importante. Ainsi, à capacité d'échange thermique similaire, on doit prévoir un échangeur de chaleur de plus grande taille et de masse plus importante. Enfin, cet ajout de matière a évidemment un coût, d'autant plus élevé que la structure de la couche de revêtement présente une structure particulière en raison de sa fonction chimique dédiée. Ces remarques sont ici destinées à un matériau d'échangeur de chaleur consistant en un tube mais on notera que tous types de matériaux d'échange de chaleur comportant des caractéristiques similaires, à savoir la nécessité d'une couche de revêtement destinée à protéger chimiquement l'âme de la paroi du matériau, est visée par l'invention et est susceptible de présenter, dans les échangeurs de chaleur actuels, des inconvénients/défauts similaires à ceux des tubes de l'art antérieur, comme explicité ci-dessus. L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvénients/difficultés précités en proposant une couche de revêtement pour matériaux d'échangeurs de chaleur apte à résister aux phénomènes de corrosion et/ou érosion, quelque que soit en particulier les conditions d'écoulement du fluide caloporteur/calorifique, tout en présentant une résistance mécanique particulièrement élevée permettant de réduire l'épaisseur de cette couche de revêtement. Elle propose à cet effet un matériau pour échangeur de chaleur, comprenant au moins une paroi apte à être en contact avec un fluide calorifique, ladite paroi comportant une âme recouverte d'une couche de revêtement en contact direct avec ledit fluide, ladite couche de revêtement étant destinée à être brasée, caractérisé en ce que la couche de 4 revêtement comprend du Zinc entre 1,2 et 1,8 % massique, ainsi que du Manganèse entre 0,9 et 1,8 % et/ou du Zirconium entre 0,05 et 0,25 % massique. On entend par le terme � âme � la partie/portion de paroi située en son centre, ou son coeur. Les pourcentages sont donnés ici en pourcentage massique, c'est-à-dire que la proportion du matériau considéré dans la couche ou partie s'établit en prenant le poids dudit matériau considéré sur le poids total de la couche ou partie. D'autres caractéristiques de l'échangeur de chaleur interne 15 sont indiquées ci-après. - Selon un mode de réalisation, le matériau consiste en un tube ; la couche de revêtement étant située sur la face interne dudit tube ; 20 - le matériau/tube comprendra une couche périphérique, située à l'opposé de la susdite couche de revêtement, apte à fixer par brasage au moins un élément rapporté, non visible sur les figures annexées, par exemple un intercalaire/perturbateur/ailette ; 25 - selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la couche de revêtement comprend du silicium entre 0,3 et 1 % massique et/ou du fer entre 0,3 et 0,9 % massique et/ou du cuivre entre 0,1 et 0,4 % massique et/ou du magnésium dans une proportion inférieure à 0,05 % massique et/ou du Titane 30 entre 0,05 et 0, 25 % massique ; - selon un mode de réalisation préféré de l'invention, l'âme comprend du silicium entre 0,1 et 0,65 % massique et/ou du fer entre 0,2 et 0,7 % massique et/ou du cuivre entre 0,2 et 1,1 % massique et/ou du Manganèse entre 0,6 et 2 % massique et/ou du Magnésium dans une proportion inférieure à 0,05 % massique et/ou du Zinc dans une proportion inférieure ou égale à 0,1 % massique et/ou du Zirconium dans une proportion inférieure ou égale à 0,2 % 5 massique ; - l'âme est constituée essentiellement d'aluminium ; - selon une caractéristique de l'invention, l'épaisseur de la couche de revêtement représente entre 10 et 30 % de l'épaisseur total du matériau, de préférence entre 10 et 15 % de l'épaisseur total du matériau ; ledit matériau comportant uniquement une couche de revêtement, une âme et une couche périphérique ; - de préférence, la couche de revêtement comprendra du Manganèse entre 1,4 et 1,8 % massique. On notera que ce pourcentage de Manganèse est similaire/proche de la concentration en manganèse de l'âme. - de préférence, la couche de revêtement comprendra du Zirconium entre 0,1 et 0,2 % massique ; - de préférence, la couche de revêtement comprendra du Zinc 20 entre 1,4 et 1,8 % massique. De façon générale, la présente invention se rapporte à un matériau pour échangeur de chaleur, apte à être en contact avec un fluide calorifique, ledit matériau comportant une 25 âme recouverte d'une couche de revêtement en contact direct avec ledit fluide, ladite couche de revêtement étant destinée à être brasée, caractérisé en ce que la couche de revêtement est une couche sacrificielle de protection et en ce qu'elle présente : 30 -une limite d'élasticité Rp 0,2 supérieure ou égale à 45 MPa (Méga Pascal), - une résistance à la traction supérieure ou égale à 125 MPa. 6 L'invention se rapporte également à un échangeur de chaleur, en particulier pour véhicules automobiles, comportant un faisceau d'échange de chaleur entre au moins deux fluides, l'un desdits fluides circulant dans des matériaux tels que défini précédemment. Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'une paroi de matériau d'échangeur de chaleur avec ses trois couches de constitution. Dans la suite, on illustre l'invention avec un matériau consistant en des tubes, plus exactement des tubes plats, fixés dans un échangeur de chaleur pour former le faisceau d'échange de chaleur mais le matériau pourra également être envisagé pour réaliser des plaques ou tous autres parois servant à former des conduits dans un échangeur de chaleur. Sur la figure 1, on représenté schématiquement une paroi 1 d'un matériau selon l'invention. On notera d'ailleurs que les trois couches, à savoir la couche de revêtement 2, l'âme 3 et 1a couche périphérique 4, sont également présentes à l'identique dans les parois des matériaux de l'état de la technique. L'invention s'intéresse ici à la couche de revêtement 2, et éventuellement à l'âme 3 associée à cette couche de 30 revêtement 2. Les couches de revêtement 2 et périphérique 4 sont appliquées sur l'âme 3 de la paroi du matériau/tube de façon parfaitement classique, sans aucune modification ni 7 étape particulière. Cette technique étant bien connue de l'homme du métier, il ne sera pas ici développé plus avant le procédé/méthode d'application/fixation de ces couches sur l'âme métallique. L'invention permet de fournir une paroi particulièrement résistante, tant au niveau de l'âme 3 que de la couche de revêtement 2. L'âme 3 avait pu auparavant être parfois résistante mais jamais l'âme 3 et la couche de revêtement 2 10 n'ont présenté de qualités mécaniques sensiblement équivalentes et de haut niveau. En effet, l'âme 3 et la couche de revêtement 2 de l'invention présentent les propriétés mécaniques suivantes . à 45 MPa (Méga à la traction supérieure à 125 MPa. On notera que la limite d'élasticité Rp 0,2 pour l'âme 3 et la couche de revêtement 2 se situe généralement entre 45 et 65 MPa. 20 Dans la' couche de revêtement 2 selon l'invention, le Zinc, dans ses proportions indiqués, contribuent à la résistance à la corrosion tandis que le Manganèse et/ou le Zirconium ont un rôle essentiel pour augmenter les propriétés 25 mécaniques. Le Zirconium présente en particulier la propriété de limiter la recristallisation de l'alliage (tailles des cristaux plus petits). Pour assurer une bonne protection à la corrosion, la 30 différence de potentiel de corrosion entre la couche de revêtement 2 et l'âme 3 doit être d'au moins 120 mV/ECS (Electrode de Calomel Saturée, mesuré selon l'ASTM G69 - norme 1997). La différence entre l'âme 3 et la couche de revêtement de l'invention est effectivement supérieure à 15 - une limite d'élasticité Rp 0,2 supérieure Pascal), - une résistance 8 cette valeur de 120 mV/ECS, classiquement supérieure à 150 mV/ECS. L'invention est plus particulièrement intéressante lorsque le fluide circulant dans les matériaux/tubes selon l'invention est un fluide particulièrement corrosif, du type liquide tel que du liquide de refroidissement moteur usagé, mais on pourra évidemment envisager cette couche de revêtement pour les matériaux/tubes de tous types d'échangeurs de chaleur, notamment pour réduire l'épaisseur de cette couche de revêtement tout en lui procurant une résistance mécanique importante.15 Revendications 1. Matériau pour échangeur de chaleur, apte à être en contact avec un fluide calorifique, ledit matériau comportant une âme (3) recouverte d'une couche de revêtement (2) en contact direct avec ledit fluide, ladite couche de revêtement (2) étant destinée à être brasée, caractérisé en ce que la couche de revêtement (2) comprend du Zinc entre 1,2 et 1,8 % massique, ainsi que du Manganèse entre 0,9 et 1,8 % et/ou du Zirconium entre 0,05 et 0,25 % massique. 2. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau consiste en un tube ; la couche de revêtement 15 (2) étant située sur la face interne dudit tube. 3. Matériau selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau/tube comprend une couche périphérique (4), située à l'opposé de la susdite couche de revêtement 20 (2), apte à fixer par brasagé au moins un élément rapporté, par exemple un intercalaire/perturbateur/ailette. 4. Matériau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de revêtement 25 (2) comprend du silicium entre 0,3 et 1 % massique et/ou du fer entre 0,3 et 0,9 % massique et/ou du cuivre entre 0,1 et 0,4 % massique et/ou du magnésium dans une proportion inférieure à 0,05 % massique et/ou du Titane entre 0,05 et 0, 25 % massique. 30 5. Matériau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'âme (3) comprend du silicium entre 0,1 et 0,65 % massique et/ou du fer entre 0,2 et 0,7 % massique et/ou du cuivre entre 0,2 et 1,1 % 9massique et/ou du Manganèse entre 0,6 et 2 % massique et/ou du Magnésium dans une proportion inférieure à 0,05 % massique et/ou du Zinc dans une proportion inférieure ou égale à 0,1 % massique et/ou du Zirconium dans une proportion inférieure ou égale à 0,2 % massique. 6. Matériau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'âme (3) est constituée essentiellement d'aluminium. 7. Matériau selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche de revêtement (2) représente entre 10 et 30 % de l'épaisseur total du matériau, de préférence entre 10 et 15 % de l'épaisseur total du matériau ; ledit matériau comportant uniquement une couche de revêtement (2), une âme (3) et une couche périphérique (4). 8. Matériau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de revêtement 20 (2) comprend du Manganèse entre 1,4 et 1,8 % massique. 9. Matériau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de revêtement (2) comprend du Zirconium entre 0,1 et 0,2 % massique. 10. Matériau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de revêtement (2) comprend du Zinc entre 1,4 et 1,8 % massique. 30 11. Matériau pour échangeur de chaleur, apte à être en contact avec un fluide calorifique, ledit matériau comportant une âme (3) recouverte d'une couche de revêtement (2) en contact direct avec ledit fluide, ladite couche de revêtement (2) étant destinée à être brasée, 25caractérisé en ce que la couche de revêtement (2) est une couche sacrificielle de protection comprenant du Zinc ainsi que du Manganèse et/ou du Zirconium et en ce qu'elle présente : - une limite d'élasticité Rp 0,2 supérieure ou égale à 45 MPa, - une résistance à la traction supérieure ou égale à 125 MPa. 12. Echangeur de chaleur, en particulier pour véhicules automobiles, comportant un faisceau d'échange de chaleur entre au moins deux fluides, l'un desdits fluides circulant dans un matériau tels que revendiqués dans l'une quelconque des revendications 1 à 10.