Brevet FR2967765A1 — publié le 20120525

La présente invention se rapporte au domaine des échangeurs de chaleur pour véhicules automobiles destinés à échanger de la chaleur entre deux fluides, et plus particulièrement, mais pas seulement, aux échangeurs de chaleur en alliages d'aluminium utilisés pour refroidir les gaz d'échappement des moteurs thermiques de ces véhicules. On connaît les circuits de recirculation de gaz d'échappement du moteur thermique d'un véhicule automobile (appelés EGR pour « Exhaust Gas Recirculation »). Les gaz d'échappement y sont recirculés vers l'admission du moteur où ils sont plus complètement brûlés. Le circuit de recirculation 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 puisque ceux-ci sont à une température maximale très élevée (400°C à 900°C). Il comporte également un canal de dérivation non refroidi, une vanne by-pass 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. Ces gaz d'échappement sont particulièrement acides et se condensent en liquide acide en particulier lorsque le moteur du véhicule est froid. Ce liquide acide contenant notamment des sulfates, des nitrates, des acides organiques, des chlorures et/ou des hydrocarbures, ils endommagent fortement les échangeurs de chaleur par corrosion. Il est ainsi courant de relever des condensats de pH inférieur à 2 avec des valeurs de chlorures de 50 ppm. Sur certains véhicules, on relève même pH 0,8 et des chlorures à 200 ppm. Par ailleurs, l'assemblage des différents composants de ces échangeurs est réalisé au moyen d'un brasage de sorte que ces éléments sont préalablement couverts d'une couche de métal d'apport. Pendant le brasage, on observe une diffusion du silicium de la couche de métal d'apport vers le cceur des éléments. Cette modification de la composition du cceur rend les éléments d'autant plus vulnérables à la corrosion. Il existe donc un besoin pour des composants d'échangeurs qui résistent à la corrosion. 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 n'évite pas totalement la corrosion et diminue significativement les capacités d'échange thermique de l'échangeur. L'invention vise à proposer des composants pour de tels échangeurs, capables de résister à la corrosion par exemple due à une condensation de ces gaz et qui soient particulièrement simples et économiques à fabriquer. A cet effet, l'invention propose un composant brasable pour la circulation d'un fluide dans un échangeur de chaleur, en particulier pour véhicule automobile, comportant une âme en alliage d'aluminium, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une couche protectrice d'aluminium pur disposée contre l'âme. Ainsi après brasage, c'est la couche d'aluminium pur qui est au contact des gaz corrosifs et non l'âme du composant. La couche d'aluminium a une meilleure résistance à la corrosion que l'âme du composant et sa présence empêche la diffusion du silicium du métal d'apport vers l'âme. Le composant présente une résistance à la corrosion qu'elle soit due à la circulation des gaz d'échappement, d'un liquide tel que l'eau glycolée ou d'un autre fluide. Selon des caractéristiques de mise en ceuvre particulièrement simple et commode, tant à la fabrication qu'à l'utilisation : la couche protectrice comporte un pourcentage massique d'aluminium supérieur ou égal à 99,5% ; l'âme présente une première surface sur laquelle s'étend uniformément la couche protectrice ; l'âme présente une seconde surface, opposée à la première surface, et en ce que le composant comporte une seconde couche protectrice en aluminium pur disposée contre la deuxième surface ; les deux couches protectrices ont la même composition ; le produit de la résistance mécanique après brasage du composant par l'épaisseur de composant est supérieur ou égal à 46800 MPa.pm ; le composant présente une épaisseur comprise entre 200pm et 530pm ; l'épaisseur de la couche protectrice est comprise entre 25pm et 80pm ; la couche protectrice est disposée entre l'âme et une couche de métal d'apport pour l'assemblage par brasage du composant à un autre composant, le rapport entre l'épaisseur de la couche de métal d'apport et l'épaisseur de la couche protectrice étant compris entre 0,3 et 1 ; l'épaisseur de la couche de métal d'apport représente entre 4% et 10% de l'épaisseur totale ; ce composant est un tube ou une plaque. L'invention concerne également un échangeur, en particulier pour véhicules automobiles, pour l'échange de chaleur entre un premier fluide circulant dans un premier circuit et un deuxième fluide circulant dans un deuxième circuit distinct du premier circuit, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une pluralité de composants tels que précédemment exposés, la surface du composant comportant la couche protectrice appartenant au premier circuit. Selon des caractéristiques de mise en ceuvre particulièrement simple et commode, tant à la fabrication qu'à l'utilisation : le premier fluide comporte des gaz d'échappement recirclués ; après brasage, le produit de la résistance mécanique du composant par l'épaisseur de l'âme du composant est supérieur ou égal à 46800 MPa.pm ; les composants sont des plaques empilées ou des tubes disposés parallèlement. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, donnée à titre d'exemple préféré, mais non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : les figures 1 a, 1 b sont un couple de vues partielles en coupe d'un tube selon l'invention avec une couche d'aluminium pur sur la surface externe seulement, avant et après brasage ; les figures 2a, 2b sont un couple similaire à celui de la figure 1 sur lequel une couche d'aluminium pur et une couche de métal d'apport sont disposées sur la surface interne et sur la surface externe du tube ; la figure 3 est une vue en éclaté en perspective d'un échangeur selon l'invention ; la figure 4 est une vue similaire à celle de la figure 3, l'échangeur étant monté ; la figure 5 est une vue en perspective d'une plaque avant brasage selon l'invention avec une couche d'aluminium et une couche de métal d'apport disposées sur la surface interne et sur la surface externe de la plaque ; la figure 6 est une vue similaire à celle de la figure 5, après brasage ; la figure 7 est une vue en perspective d'une plaque selon l'invention avec une couche d'aluminium pur sur une seule surface de la plaque et une couche de métal d'apport de chaque côté, avant brasage. En référence aux figures 1 et 2, on décrit un composant selon l'invention. Il s'agit ici d'un tube plat 1 destiné à appartenir à un faisceau d'échange de chaleur 2 tel que représenté à la figure 3. Le tube 1 comporte une paroi dont la section transversalement à son axe longitudinal est de forme oblongue avec deux portions plates en alternance avec deux portions arrondies, par exemple en demi-cercle. Sur les figures, on n'a pas représenté les portions arrondies. On voit sur les figures deux segments parallèles 3 des parois plates. L'épaisseur de la paroi du tube 1, c'est-à-dire l'épaisseur des segments 3 est comprise entre 200µm et 530µm. La paroi du tube 1 comporte une âme 4 qui est en alliage d'aluminium série 3000. L'intérieur 5 du tube 1 est, sur les figures 1, 2, l'espace s'étendant entre les deux segments 3. Chaque segment 3 présente une face intérieure 6 qui regarde vers 30 l'intérieur 5 du tube 1 et une face extérieure 7 opposée à la face intérieure 6. Du côté de la face extérieure 7, l'âme 4 comporte une première surface contre laquelle s'étend une couche 8 protectrice d'aluminium pur. Par aluminium pur, on entend un alliage d'aluminium à très haute teneur en aluminium, teneur supérieure à une valeur25 donnée de 99%. Il s'agit ici d'un alliage d'aluminium de la série 1000. La couche 8 présente une épaisseur de 40µm et ici un pourcentage d'aluminium de 99,5°/O. Avant brasage du tube 1, la couche protectrice 8 s'étend entre l'âme 4 et une couche de métal d'apport 10. L'épaisseur de la couche 10 est de 30 µm. Le métal d'apport sert au brasage du tube 1 à un autre composant du faisceau 2 par exemple des intercalaires disposés entre les tubes 1 ou encore les plaques collectrices du faisceau 2. Le brasage étant bien connu et ne faisant pas l'objet de l'invention, on ne rentrera pas ici dans une description détaillée du brasage ni de la composition du métal d'apport, étant précisé que le métal d'apport a une température de fusion inférieure à celle des composants de l'échangeur pour permettre de fixer les différents composants les uns aux autres. Du côté de la face intérieure 6, l'âme 4 comporte, avant brasage, contre sa surface, une autre couche 10 de métal d'apport. Cette couche 10 sert au brasage du tube 1 avec des perturbateurs (non représentés) disposés à l'intérieur du tube 1. De façon générale, l'épaisseur du composant, c'est-à-dire l'épaisseur de la paroi du tube 1, l'épaisseur de la couche 8 et l'épaisseur de la couche de métal d'apport 10 sont choisies dans les gammes et avec les relations suivantes : - le rapport entre l'épaisseur de la couche de métal d'apport 10 et l'épaisseur de la couche d'aluminium 8 est compris entre 0,3 et 1 ce qui permet d'éviter que le métal d'apport ne migre vers l'âme 4 ; - l'épaisseur de la couche de métal d'apport 10 représente entre 4°/O et 100/0 de l'épaisseur de la paroi du tube 1 ; - l'épaisseur de la couche protectrice 8 est comprise entre 25µm et 80µm ; - l'épaisseur de la paroi du tube 1 est comprise entre 200µm et 530µm. Après brasage de l'échangeur 11 (figures 3, 4), le métal de la couche de métal d'apport 10 a migré vers les zones à braser de sorte qu'en dehors de ces zones, la couche protectrice 8 est à nu. La couche 8 forme un revêtement destiné à être en contact avec le fluide et à agir comme une couche de protection sacrificielle. Ainsi, même si cette couche 8 commence à être corrodée, l'âme 4 de la paroi du tube 1 n'est pas attaquée. Sur le tube 1 des figures 1 a, 1 b, on a donc une couche protectrice 8 sur l'extérieur du tube 1 de façon à protéger le tube 1 contre la corrosion sur l'extérieur qui pourrait intervenir sous l'effet du passage d'un fluide. Sur le tube 1 de la figure 2a, 2b, la deuxième surface de l'âme du côté de la face intérieure 6 du tube 1 est revêtue d'une deuxième couche protectrice 8. Cette deuxième couche 8 s'étend entre l'âme 4 et une autre couche de métal d'apport 10. Le brasage a lieu à l'extérieur du tube et à l'intérieur du tube, par exemple avec des perturbateurs entre les tubes et à l'intérieur des tubes. Grâce à la présence des couches de protection 8 sur l'extérieur et sur l'intérieur du tube 1, celui-ci est protégé contre la corrosion qui pourrait intervenir sous l'effet du passage de fluide entre les tubes et dans les tubes. Après brasage, la résistance mécanique de la paroi du tube 1 multipliée l'épaisseur de l'âme 4 est supérieure à 46800 MPa.pm. Un exemple d'utilisation des tubes des figures 2a, 2b, est illustré sur les figures 3 et 4. L'échangeur représenté 11 comporte deux rangs de tubes plats 1. Le faisceau 2 est 20 disposé dans un carter 12. L'échangeur 11 comprend un circuit destiné à la circulation des gaz EGR avec échange de chaleur avec un fluide de refroidissement. 25 Le carter 12, qui est de section sensiblement rectangulaire et se trouve fermé en une de ses extrémités, loge en son intérieur le faisceau 2 de tubes 1 qui, dans le cas présent, est du type en forme de « U », c'est-à-dire que l'entrée 13 et la sortie 14 des tubes 1 sont disposées d'un même côté à l'extrémité ouverte 15 du carter 12. 30 L'extrémité du faisceau de tubes 1 est fixée à une plaque de support 16. La plaque de support 16 présente une pluralité d'orifices 17 pour l'implantation des tubes 1 respectifs. Le carter 12 présentent une voie d'entrée 18 et une voie de sortie (non représentée) pour le fluide de refroidissement des EGR, ici de l'eau glycolée du circuit de refroidissement moteur. Les gaz EGR entrent dans l'échangeur 11 par l'entrée 13, circulent dans les tubes 1 où ils sont refroidis puis ressortent par la sortie 15. L'eau glycolée entre par la voie d'entrée 18, baigne le faisceau 2 et sort par la voie de sortie. Les gaz EGR et l'eau glycolée échangent pour permettre un refroidissement des gaz EGR. L'acidité ges gaz EGR peut se situer autour de pH 2 et peut dans certains conditions atteindre un pH de 0,8 et contenir jusqu'à 200 ppm de chlorures. Avec une possible condensation au cours de la circulation dans l'échangeur, l'intérieur des tubes est soumis à des conditions corrosives dont ils sont protégés par la présence des couches protectrices 8. L'eau glycolée a également une action corrosive dont l'extérieur des tubes est protégé grâce aux couches protectrices 8 situées sur l'extérieur. Selon une variante de réalisation correspondant aux figures 1 a, 1 b, seul le fluide circulant à l'extérieur des tubes a une action corrosive de sorte que seul l'extérieur des tubes est protégé par une couche protectrice 8. Selon une autre variante, on prévoit des couches protectrices seulement à l'intérieur des tubes avec des couches de métal d'apport seulement à l'extérieur des tubes. De façon générale, on prévoit une couche protectrice sur au moins l'une des surfaces intérieure ou extérieure des tubes. Selon une autre variante, on ne prévoit pas de métal d'apport à l'intérieur du tube. 30 Concernant la fabrication des tubes 1, on commence par se procurer l'âme 4 sous la forme d'un feuillard en alliage d'aluminium de la série 3000. Ensuite on pulvérise uniformément par sprayage la couche d'aluminium 8 de la série 1000 sur l'extérieur (fig.1 a) ou sur l'extérieur et l'intérieur (fig. lb). On termine par le dépôt d'une couche de 35 métal d'apport à l'extérieur et à l'extérieur par exemple en trempant le tube 1 dans un25 bain de métal d'apport. On peut aussi injecter le métal d'apport pour former la couche à l'intérieur du tube 1. On forme le tube 1 en rabattant les deux bords de l'âme plate sur eux-mêmes. Les tubes 1 sont rendus étanches lors du brasage de l'échangeur 11. Selon une variante de réalisation, on réalise l'âme 4 du tube 1 par extrusion. Ensuite on pulvérise uniformément par sprayage la couche d'aluminium 8 de la série 1000 sur l'extérieur du tube 1 ou sur l'extérieur et l'intérieur. On termine par le dépôt d'une couche de métal d'apport sur l'extérieur et l'intérieur du tube 1. Dans les deux cas, à l'intérieur des tubes 1 peuvent être disposés des perturbateurs ou turbulateurs qui perturbent la circulation du fluide dans les tubes pour améliorer le transfert de chaleur. On décrit maintenant un autre mode de réalisation en référence aux figures 5 à 8. Pour les éléments similaires, on garde la même numérotation augmentée de 100. Le composant selon l'invention est ici une plaque 101 qui comporte une âme 104 dont les deux faces sont revêtues d'une couche protectrice 108 (figure 5, 6). Selon une variante seule une surface de la plaque 101 est revêtue d'une couche protectrice (figure 7). Comme dans le mode de réalisation précédent, une couche de métal d'apport 110 est disposée sur la ou les couches protectrices 108. Après brasage (figure 6), les couches protectrices 108 sont à nu. L'échangeur 111 est un échangeur à plaques. Les plaques 101 sont empilées l'une au dessus de l'autre de façon à créer deux circuits de fluide, par exemple un circuit de gaz EGR et un circuit de fluide de refroidissement faisant circuler de l'eau glycolée du circuit de refroidissement du moteur. Dans ce cas, il s'agit des plaques 101 des figures 5, 6 qui comportent des couches de protection de chaque côté. L'empilement des plaques 101 permet de créer un circuit pour les gaz EGR et un circuit pour l'eau glycolée. Comme dans le mode de réalisation décrit précédemment, on retrouve des conditions à risque en matière de corrosion de sorte que les couches protectrices 108 jouent un rôle dans la protection contre la corrosion.35 Selon une variante de réalisation (fig. 7), les plaques 108 ne comportent qu'une plaque protectrice 108 sur un seul côté. Dans ce cas, on positionne les plaques 108 de façon à ce que les couches protectrices 108 de deux plaques consécutives se fassent face. On a ainsi un circuit de fluide dont les faces possèdent des couches protectrices en alternance avec un circuit dont les faces ne possèdent pas de protection particulière. Ce schéma convient à un échange de chaleur entre un fluide corrosif et un fluide peu ou pas corrosif. Concernant la fabrication des plaques 101, on commence par se procurer l'âme 104 sous la forme d'un feuillard en alliage d'aluminium de la série 3000. Ensuite on pulvérise par sprayage la couche d'aluminium 108 de la série 1000. On termine par le dépôt d'une couche de métal d'apport 110. Eventuellement on crée du relief sur la plaque 101 en particulier pour créer des canaux de circulations (non représentés) et des bossages 120 ou dimples pour augmenter la surface d'échange. A titre d'exemple, un composant de 480 µm d'épaisseur comporte une âme d'alliage d'aluminium de type 3916 et de 360µm d'épaisseur, une couche protectrice d'alliage d'aluminium de type 1050 de 48µm d'épaisseur et deux couches de métal d'apport (une par face) de type 4343 et de 36µm d'épaisseur (soit en pourcentage, 750/0 pour l'âme, 100/0 pour la couche protectrice et 7,50/0 pour chaque couche de métal d'apport). La résistance mécanique du composant est de 130MPa. Un autre exemple est un composant de 400 µm d'épaisseur comporte une âme d'alliage d'aluminium de 300µm d'épaisseur, une couche protectrice d'alliage d'aluminium de type 1050 de 401.1m d'épaisseur et deux couches de métal d'apport (une par face) de type 4343 et de 301.1m d'épaisseur (soit en pourcentage, 750/0 pour l'âme, 100/0 pour la couche protectrice et 7,50/0 pour chaque couche de métal d'apport). La résistance mécanique du composant est de 156 MPa. Un troisième exemple est un composant de 400 µm d'épaisseur comporte une âme d'alliage d'aluminium de 260µm d'épaisseur, deux couches protectrices d'alliage d'aluminium de type 1050 de 401.1m d'épaisseur (une par face) et deux couches de métal d'apport (une par face) de type 4343 et de 301.1m d'épaisseur (soit en pourcentage, 650/0 pour l'âme, 100/0 pour chaque couche protectrice et 7,50/0 pour chaque couche de métal d'apport). La résistance mécanique du composant est de 180MPa. Pour chaque exemple le produit de la résistance mécanique par l'épaisseur de l'âme 5 après brasage est de 46800MPa.pm. En variante aux modes de réalisation décrits, on prévoit que le composant, tube ou plaque est obtenu sous la forme d'un sandwich multicouche laminé. 10 Des variantes de réalisations englobent les différentes combinaisons que l'on peut obtenir en prévoyant une couche protectrice sur une seule face, une couche protectrice sur chaque face, une couche de métal d'apport sur une seule face, une couche de métal d'apport sur chaque face. 15 La présence ou non d'une couche de métal d'apport est notamment liée au besoin né de la présence ou non d'intercalaires entre les tubes ou de turbulateurs dans les tubes. Selon un autre mode de réalisation, le composant revendiqué (tube ou plaque) comporte la ou les couches protectrices tandis que ce sont les intercalaires ou 20 perturbateurs disposés entre les tubes ou les plaques (ou des turbulateurs disposés à l'intérieur des tubes) qui possèdent les couches de métal d'apport. Selon un autre mode de réalisation, le composant selon l'invention est une plaque collectrice comportant une âme en alliage d'aluminium assemblée par brasage avec 25 par exemple des tubes. Cette plaque collectrice comporte une couche protectrice d'aluminium pur disposée sur la surface de l'âme du côté des tubes. Selon une variante, le composant est la plaque de support 16 de l'échangeur 11. Les tubes 1 et la plaque 16 comportent alors des couches protectrices. 30 Selon un autre mode de réalisation, l'échangeur de chaleur selon l'invention comporte un premier circuit dans lequel circule un premier fluide à refroidir par exemple de l'eau glycolée, au moyen d'un deuxième fluide fluide, par exemple de l'air. Les tubes ou les plaques de l'échangeur comportent des couches protectrices seulement sur les 35 surfaces appartenant au premier circuit.5 La présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté mais englobe toute variante d'exécution. 10 REVENDICATIONS1. Composant brasable pour la circulation d'un fluide dans un échangeur de chaleur, en particulier pour véhicule automobile, comportant une âme (4, 104) en alliage d'aluminium, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une couche protectrice (8, 108) d'aluminium pur disposée contre l'âme (4, 104). 2. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche protectrice (8, 108) comporte un pourcentage massique d'aluminium supérieur ou égal à 99,5%. 3. Composant selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'âme présente une première surface sur laquelle s'étend uniformément la couche protectrice (8, 108). 4. Composant selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'âme présente une seconde surface, opposée à la première surface, et en ce que le composant comporte une seconde couche protectrice (8, 108) en aluminium pur disposée contre la deuxième surface. 5. Composant selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les deux couches protectrices (8, 108) ont la même composition. 6. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le produit de la résistance mécanique après brasage du composant par l'épaisseur de composant est supérieur ou égal à 46800 MPa.pm. 7. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il présente une épaisseur comprise entre 200µm et 530µm. 8. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche protectrice (8, 108) est comprise entre 251.1m et 80µm. 9. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche protectrice (8, 108) est disposée entre l'âme (4, 104) et une couche de métal d'apport (10, 110) pour l'assemblage par brasage du composant à un autre composant, le rapport entre l'épaisseur de la couche de métal d'apport (10, 110) et l'épaisseur de la couche protectrice (8, 108) étant compris entre 0,3 et 1. 10. Composant selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche de métal d'apport (10, 110) représente entre 4°/O et 100/0 de l'épaisseur totale. 11. Composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ce composant est un tube (1). 12. Composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ce composant est une plaque (101). 13. Echangeur de chaleur, en particulier pour véhicules automobiles, pour l'échange de chaleur entre un premier fluide circulant dans un premier circuit et un deuxième fluide circulant dans un deuxième circuit distinct du premier circuit, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de composants (1, 101) selon l'une quelconque des revendications précédentes, la surface du composant (1, 101) comportant la couche protectrice appartenant au premier circuit. 14. Echangeur selon la revendication 13, caractérisé en ce que le premier fluide comporte des gaz d'échappement recirculés. 15. Echangeur selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce qu'après brasage, le produit de la résistance mécanique du composant (1, 101) par l'épaisseur de l'âme (4, 104) du composant (1, 101) est supérieur ou égal à 46800 MPa.pm. 16. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisé en ce que les composants sont des plaques (101) empilées. 17. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisé en ce que les composants sont des tubes (1) disposés parallèlement. 18. Echangeur selon la revendication 17, caractérisé en ce que les tubes sont séparés par des intercalaires. 19. Echangeur selon l'une des revendications 17 ou 18, caractérisé en ce qu'à l'intérieur des tubes (1) sont disposés des perturbateurs.