Brevet FR2916525A1 — publié le 20081128

RFR0376 Titre : Couche protectrice pour échangeur de chaleur 5 La présente invention se rapporte au domaine des échangeurs de chaleur pour véhicules automobiles destinés à échanger de la chaleur entre 10 deux fluides, et plus particulièrement aux échangeurs de chaleur en alliages d'aluminium utilisés pour refroidir les gaz d'échappement des moteurs thermiques de ces véhicules. A l'heure actuelle, on connaît un circuit de recirculation de gaz 15 d'échappement du moteur thermique d'un véhicule automobile (communément appelé EGR pour Exhaust Gas Recirculation ) qui s'étend entre le circuit d'échappement du moteur thermique et le circuit d'admission et comprend généralement un échangeur thermique pour refroidir les gaz d'échappement, un canal de dérivation non refroidi, une vanne de by-pass 20 pour diriger sélectivement le flux gazeux dans l'échangeur de chaleur ou dans le conduit de dérivation, et une vanne de régulation pour régler le débit du flux gazeux dans le circuit de recirculation. Néanmoins, les circuits de recirculation de gaz d'échappement 25 évoluent en fonction des nouvelles réglementations relatives au dégagement de produits toxiques/nocifs dans l'atmosphère par les véhicules. Ainsi, dorénavant, l'EGR est placé dans le circuit de recirculation des gaz d'échappement après les filtres à particules, généralement placés dans 30 le pot d'échappement, servant à retenir un maximum de particules toxiques/nocives. Ces gaz d'échappement filtrés, formant comburant, sont 1 d'abord compressés puis renvoyés vers le moteur afin d'être consommés avec le carburant du véhicule. Préalablement et postérieurement à l'opération de compression de ces gaz d'échappement filtrés recirculant, ces derniers doivent être refroidis, tant pour autoriser une meilleure compression, c'est-à-dire présenter une densité de gaz optimum, que pour autoriser une meilleure combustion avec le carburant. C'est pourquoi il est nécessaire de proposer des échangeurs de chaleur aptes à refroidir au mieux ces gaz d'échappement filtrés recirculant. 10 On connaît le document WO 2006034876 qui propose de former une couche hydrophobe sur la surface des circuits d'échange de manière à évacuer au plus vite la condensation d'eau acide sans que cette dernière ait le temps d'attaquer l'échangeur mais cette solution n'est pas satisfaisante car elle 15 n'évite pas totalement la corrosion et diminue significativement les capacités d'échange thermique de l'échangeur. Le problème vient de ces gaz d'échappement filtrés recirculant car ils sont particulièrement acides et se condensent en liquide acide contenant 20 notamment des sulfates, des nitrates et/ou des hydrocarbures qui endommagent fortement les échangeurs de chaleur par corrosion. A l'heure actuelle, il n'existe sur le marché aucun échangeur de chaleur en alliages d'aluminium apte à résister à des valeurs de pH inférieures 25 à 2,5. En effet, en particulier lorsque le moteur du véhicule est froid, les caractéristiques des échangeurs de chaleur destinés à traiter les gaz d'échappement doivent résister à une condensation de ces gaz et donc des attaques corrosives ainsi qu'un encrassement importants. 30 La présente invention entend remédier aux lacunes des échangeurs de chaleur existants et en particulier destinés au traitement des gaz d'échappement en proposant d'appliquer une couche isolante ou chimiquement inerte uniformément présente sur l'ensemble de l'échangeur de chaleur. Ainsi, l'invention concerne un échangeur de chaleur, comportant deux circuits distincts pour l'échange de chaleur entre deux fluides, l'un des deux fluides consistant en des gaz d'échappement, caractérisé en ce qu'une couche isolante est présente sur les parois internes des conduits dans lesquels circule les gaz d'échappement. On entend par l'expression parois internes sur lesquelles est présente la couche isolante selon l'invention les parois en contact avec les gaz d'échappement. Ainsi, dans l'échangeur choisi ici pour illustrer l'invention, la couche isolante est appliquée sur les surfaces en contact avec l'air sous pression c'est à dire l'extérieur du faisceau ou du tube. Le circuit interne de fluide refroidissant, c'est-à-dire l'intérieur de tubes ou de plaques, est exempt de ce traitement. Avantageusement, la couche isolante est présente uniformément sur les parois internes de conduits. On entend par l'expression couche isolante présente uniformément sur les parois le fait que cette couche présente une épaisseur, ou hauteur, sur la surface des parois internes desdits conduits qui est sensiblement égale sur l'ensemble de ces parois. Selon une possibilité offerte par l'invention, la couche isolante est composée de résine époxydique, et de ses combinaisons avec des résines acryliques, polyester, polyuréthane ou polyamine, appliquée par le procédé de cataphorèse. Une seconde possibilité offerte par cette invention est la couche isolante composée de résine époxydique et de sa combinaison avec une résine phénolique et chimiquement renforcée avantageusement par un polymère fluoré comme le PTFE, déposée par un procédé d'immersion et de centrifugation. Avantageusement, la couche isolante présente une épaisseur, ou une hauteur, inférieure à 100 m (micromètres). L'épaisseur de la couche isolante pourra être comprise entre 10 et 50 m sur la surface des parois internes des conduits dans lesquels circulent 10 les gaz d'échappement, en particulier comprise entre 15 et 38 m. Selon une possibilité offerte par l'invention, les conduits dans lesquels circulent les gaz d'échappement comportent des intercalaires/ailettes/perturbateurs. Dans ce cas, la couche isolante sur ces 15 éléments sera comprise entre 5 et 25 m, en particulier entre 8 et 161am. Avantageusement, l'échangeur comportant la couche selon l'invention présentera les caractéristiques additionnelles suivantes : - les conduits dans lesquels circulent les gaz d'échappement 20 comportent des intercalaires/ailettes dont la distance entre deux intercalaires/ailettes consécutifs est au moins égale à 1,25 mm (millimètre), - la largeur du corps de l'échangeur, c'est-à-dire la largeur du faisceau de l'échangeur où a lieu les échangeurs thermiques entre les deux fluides, est comprise entre 40 mm et 120 mm, 25 - la hauteur du corps de l'échangeur au plus égale à 130mm. Ces caractéristiques sont définies afin d'autoriser une application optimum de la couche selon l'invention, tant en épaisseur qu'en uniformité. Bien entendu, les échangeurs de chaleur présentant d'autres dimensions sont 30 susceptibles de se voir appliquer la couche selon l'invention mais cette application pourra éventuellement nécessiter des étapes supplémentaires, voire un procédé d'application différent. Grâce à l'invention, les échangeurs de chaleur sont destinés à traiter thermiquement les gaz d'échappement lorsque ces derniers amènent localement des condensats de sulfates, nitrates, chlorures et/ou hydrocarbures dont le pH est inférieur à 2,5 sans détériorer les performances de transfert de chaleur de l'échangeur. Par ailleurs, l'invention permet à l'échangeur de chaleur de résister aux phénomènes d'abrasion dus aux particules abrasives contenues dans ces gaz d'échappement, en particulier pour les moteurs de type Diesel. L'invention concerne également un procédé d'obtention d'un échangeur de chaleur tel que défini précédemment, caractérisé en ce que la couche isolante est fixée sur la ou les surface(s) dudit échangeur par cataphorèse ou par immersion-centrifugation. Un mode de réalisation de l'invention sera décrit ci-après, à titre 20 d'exemple non limitatif, en faisant référence aux dessins annexés dans lesquels : - La figure 1 représente un type d'échangeur de chaleur dans lequel circule deux fluides, dont celui à refroidir consiste en les gaz d'échappement ; - la figure 2 illustre un des procédés utilisés pour appliquer et fixer 25 la couche de passivation selon l'invention. Il est présenté ici l'invention dans le cadre d'un échangeur du type à eau, c'est-à-dire que les gaz d'échappement échangent de la chaleur avec un liquide, par exemple le liquide de refroidissement utilisé dans la boucle 30 thermique du moteur. Néanmoins, tous autres types d'échangeurs peuvent être envisagés dans la mesure où il autorise la circulation des gaz d'échappement du véhicule en vu de leur refroidissement. On notera cependant que l'homme du métier considéré pour la présente invention est un technicien du domaine des échangeurs de chaleur pour véhicules automobiles, et plus particulièrement des échangeurs de chaleur destinés à traiter thermiquement les gaz d'échappement. L'échangeur de chaleur 1 choisi pour illustrer l'invention consiste ici en un échangeur dont le réfrigérant est le liquide de refroidissement, le fluide à refroidir consistant en les gaz d'échappement. Les gaz d'échappement passent dans l'échangeur selon les flèches F l /F2, perpendiculairement au sens de circulation du liquide. Ainsi, le liquide de refroidissement entre dans l'échangeur 1 via la tubulure d'entrée 2, débouchant dans un collecteur d'entrée, puis circule dans des tubes 3 alignés parallèlement les uns aux autres pour aboutir à un collecteur de sortie, avant de ressortir via la tubulure de sortie 4. Dans cet exemple le liquide de refroidissement effectue quatre passes dans l'échangeur 1. Les gaz d'échappement circulent ici en traversant l'échangeur 1 une seule fois, leurs traversées étant perturbées par des intercalaires/ailettes 5 présentes entre les différents tubes 3 constituant l'échangeur 1 de manière à échanger thermiquement au mieux avec le liquide de refroidissement. Bien entendu, l'échangeur 1 comprend un boîtier, non représenté sur les figures annexées, apte à enfermer/envelopper ledit échangeur 1 visible sur la figure 1 de manière à conduire les gaz d'échappement depuis leur entrée jusqu'à leur sortie ; ce boîtier formant classiquement collecteur d'entrée et de sortie.30 On notera que cet échangeur 1 présente les caractéristiques suivantes : - hauteur ou coeur 6 du faisceau (zone de l'échangeur où a lieu l'échange entre les deux fluides) de l'échangeur : 76 mm, - hauteur ou distance entre deux intercalaires/ailettes 4 : 1,25 à 1,4 mm, - largeur 7 du faisceau : 40 -120 mm, - hauteur ou distance entre deux tubes 3 : 7,2mm +40,15. Bien que la couche isolante soit susceptible d'être appliquée sur tous types d'échangeurs, il a été mis en évidence que certaines architectures d'échangeurs de chaleur sont mieux appropriées à son application. Ainsi, on obtient des résultats optimums avec un échangeur pour le traitement des gaz d'échappement sur lequel est appliquée une couche isolante selon l'invention lorsqu'il présente les caractéristiques suivantes : - une distance entre deux intercalaires/ailettes consécutifs au moins égale à 1,25 mm (millimètre), - une largeur du corps de l'échangeur, c'est-à-dire la largeur du faisceau de l'échangeur où a lieu les échangeurs thermiques entre les deux 20 fluides, comprise entre 40 mm et 120 mm, - une hauteur du corps de l'échangeur au plus égale à 130 mm. La couche isolante selon l'invention est déposée par cataphorèse ou par immersion-centrifugation car ces deux méthodes actuelles de 25 recouvrement/fixation d'un film/substrat permettent de déposer une couche fine uniforme sur un dispositif présentant une géométrie complexe, telle que celle d'un échangeur de chaleur à tubes ou à plaques. La cataphorèse, dont le principe dans le cadre de la présente 30 invention est représenté sur la figure 2, est un procédé électrochimique de revêtement d'une couche dans lequel la couche selon l'invention forme l'anode tandis que l'échangeur forme la cathode ; ces deux électrodes, anode et cathode, étant immergées dans un bain d'une solution aqueuse électriquement conductrice contenant la matière à déposer. La couche selon l'invention migre, sous l'influence du champ électrique, depuis l'anode en direction de l'électrode chargée négativement, la cathode, à savoir l'échangeur de chaleur. La couche est ainsi déposée et forme un film cohérent. Au fur à mesure que ce film se dépose sur la surface de l'échangeur, la couche ainsi déposée crée une isolation électrique empêchant tout dépôt ultérieur. L'épaisseur de la couche déposée est contrôlée automatiquement en ajustant le champ électrique créé et en modifiant la composition de la couche. L'immersion-centrifugation n'est pas ici explicitée plus avant car le procédé est bien connu et ne diffère pas ici dans son application à un échangeur de chaleur. Outre les résultats principaux liés aux problèmes techniques évoqués ci-dessus, la couche isolante montre une bonne résistance aux acides organiques notamment de type acétique, propanoïque, et glycolique ainsi qu'une bonne résistance aux acides inorganiques notamment du type acides sulfurique, nitrique, chlorhydrique, fluorhydrique, carbonique. En effet, la norme de test VDA 621-412 a été appliquée avec succès sur des échangeurs de chaleur munis d'une telle couche isolante afin d'évaluer leurs résistance aux différents produits tel que l'isooctane, le toluène, le diesel, la gazoline, l'huile hydraulique, l'éthylène glycol, l'éthanol, l'isopropanol, l'hydroxyde de sodium 5%, l'acide chlorhydrique 10%, l'acide sulfurique 10%. Par ailleurs, la couche isolante selon l'invention présente une bonne résistance au feu (test selon la norme DIN 75200) et résiste sans perte de matière à des variations importantes de températures, de -40 à 180 Celsius. L'homme de l'art pourra appliquer les concepts décrits à de nombreux autres systèmes similaires, en combinant à souhait les différentes réalisations et modes d'exécution présentés précédemment, sans sortir du cadre de l'invention défini dans les revendications jointes. Revendications 1. Echangeur de chaleur, comportant deux circuits distincts pour l'échange de chaleur entre deux fluides, l'un des deux fluides consistant en des gaz d'échappement, caractérisé en ce qu'une couche isolante est présente sur les parois internes des conduits dans lesquels circule les gaz d'échappement. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche isolante est présente uniformément sur les parois internes de conduits. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche isolante est à base de résine époxydique, modifiée ou non par des résines phénolique, polyester, acrylique, polyuréthane, polyamine, fluorés. 4. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche isolante présente une épaisseur, ou une hauteur, inférieure à 100 tm (micromètres). 20 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche isolante est comprise entre 10 et 50 lm sur la surface des parois internes des conduits dans lesquels circulent les gaz d'échappement, en particulier comprise entre 15 et 38 m. 25 6. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les conduits dans lesquels circulent les gaz d'échappement comportent des intercalaires, ailettes ou perturbateurs. 7. Echangeur de chaleur selon la revendication 6, caractérisé en ce 30 que la couche isolante sur ces intercalaires/ailettes/perturbateurs est comprise entre 5 et 25 m, en particulier entre 8 et 16 m. 10 15 8. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les conduits dans lesquels circule les gaz d'échappement comportent des intercalaires/ailettes dont la distance entre deux intercalaires/ailettes consécutifs est au moins égale à 1,25 mm (millimètre). 9. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la largeur du corps de l'échangeur est 10 comprise entre 40 mm et 120 mm. 10. Echangeur de chaleur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la hauteur du corps de l'échangeur au plus égale à 130 mm. 11. Procédé d'obtention d'un échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche isolante est fixée sur la ou les surface(s) dudit échangeur par cataphorèse ou par immersion-centrifugation.