Brevet FR3010513A1 — publié le 20150313

Matrice d'échangeur de chaleur collée et procédé de collage correspondant L'invention concerne le domaine des échangeurs de chaleur métalliques, notamment en aluminium, du type à plaques gravées, du type à tôles de séparation, barres et ondes, ou comportant une combinaison de ces deux types. Ces échangeurs de chaleur sont couramment utilisés dans des procédés de séparation des gaz de l'air ou de liquéfaction de gaz naturel, en raison de leurs très bonnes propriétés de performance énergétique, de tenue mécanique à très basse température et de légèreté. De manière connue, la matrice de ces échangeurs de chaleur est assemblée par brasage et leurs têtes de distribution de fluide sont soudées sur la matrice brasée. Les échangeurs de chaleur ainsi constitués sont de nature purement métallique et susceptibles à la corrosion. Leur champ d'application est donc limité à des environnements propres et peu corrosifs. Notamment, ils ne supportent ni l'eau de mer, ni une atmosphère marine. L'origine de cette incompatibilité provient de phénomènes de diffusion intervenant à l'interface des composants constitutifs de l'échangeur et de la brasure, qui induisent des modifications métallurgiques de la matière initiale. Après refroidissement, la présence de précipités intermétalliques est supposée être une des causes majeures de l'apparition de piqûres de corrosion suite à la formation de piles électrochimiques favorisant l'attaque du métal de base adjacent. Des revêtements anticorrosion existent, mais leur mise en oeuvre sur ce type d'équipements reste problématique. On peut appliquer le revêtement anticorrosion soit sur les composants individuels de la matrice avant l'étape d'assemblage et de brasage, soit sur la matrice finie après brasage. La première méthode a le désavantage de pouvoir uniquement employer des revêtements anticorrosion restant stables aux températures de brasage et ne perturbant pas le brasage. La deuxième méthode ne permet pas de déposer le revêtement anticorrosion de manière uniforme et dans l'ensemble de la matrice brasée car celle-ci comporte de nombreuses anfractuosités avec des difficultés d'accès. Un but de l'invention est donc de réaliser une matrice métallique d'échangeur de chaleur qui résiste mieux à la corrosion en restant solide et bon conducteur thermique. Une telle matrice doit notamment être adaptée aux applications marines. Selon l'invention, ce but est atteint par une matrice métallique d'échangeur de chaleur, caractérisée par un empilement de composants, notamment de plaques gravées ou d'ondes, de tôles de séparation et de barres, ou une combinaison des deux types d'empilement, dans laquelle au moins une partie desdits composants sont liés entre eux par une couche, de préférence d'une épaisseur comprise entre 20 et 150 iim, de colle structurale à base de résine d'époxyde contenant un inhibiteur de corrosion et chargée de 20 à 60% en masse d'un conducteur thermique assurant une conductivité thermique de la colle de 2 à 5 W/m/K. En liant au moins une partie des composants de la matrice à l'aide de ladite colle, on s'affranchit du brasage et du métal d'apport traditionnel qui est susceptible à la corrosion. Grâce à la formulation de colle choisie, la matrice est protégée contre la corrosion et conserve ses performances mécaniques et thermiques. La matrice selon l'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans les échangeurs de chaleur placés dans un environnement corrosif, notamment en milieu marin, que les échangeurs de chaleur soient en immersion dans l'eau ou en atmosphère marine. Selon des modes de réalisation préférés, la matrice selon l'invention comprend l'une, plusieurs ou toutes les caractéristiques suivantes, dans toutes les combinaisons techniquement possibles : - le conducteur thermique de la colle est à base de métal et/ou de céramique; - l'inhibiteur de corrosion de la colle est à base d'oxydes de zinc; - les composants sont revêtus d'un accrocheur de colle, notamment d'une couche de conversion et/ou d'une couche de primaire d'accroche de colle; - la couche de conversion a une épaisseur comprise entre 1 et 50 lm et de préférence comprise entre 5 et 20 iim; - les composants sont en aluminium ou un alliage d'aluminium, et la couche de conversion est en alumine; - une partie des composants sont brasés entre eux. La présente invention concerne également un échangeur de chaleur comportant une matrice telle que définie ci-dessus, et de préférence au moins une tête de distribution de fluide collée à la matrice, notamment avec ladite colle. Un autre but de l'invention est de réaliser un procédé d'assemblage de matrice métallique d'échangeur de chaleur adaptée aux environnements corrosifs. Selon l'invention, ce but est atteint par un procédé d'assemblage d'une matrice métallique d'échangeur de chaleur, caractérisé par les étapes consistant à : a) fournir les composants de la matrice; b) déposer une colle structurale à base de résine d'époxyde contenant un inhibiteur de corrosion et chargée de 20 à 60% en masse d'un conducteur thermique assurant une conductivité thermique de la colle de 2 à 5 W/m/K sur au moins une partie des composants; c) empiler les composants de façon à obtenir une pile; et d) étuver la pile de façon à durcir ladite colle et obtenir ainsi la matrice. Selon des modes de réalisation préférés, le procédé selon l'invention comprend l'une, plusieurs ou toutes les caractéristiques suivantes, dans toutes les combinaisons techniquement possibles : - l'étape consistant à déposer un accrocheur de colle sur les composants avant l'étape b); - le dépôt d'accrocheur de colle comprend une première étape d'anodisation ou de phosphorisation, et/ou une deuxième étape de dépôt d'un primaire d'accroche par trempage du composant dans le primaire ou projection du primaire sur le composant; - l'étape consistant à sécher et chauffer les composants recouverts de primaire d'accroche à une température comprise entre 50 et 200 °C pendant une durée comprise entre 30 et 120 mn. de façon à lier le primaire d'accroche au composant. - l'étape b) comprend : i) la prévision de la colle sous forme de pâte et son étalement sur le composant à l'aide d'un racloir, ou ii) le colaminage de la colle sur le composant; - l'étape d) comprend un premier maintien de la pile à une température comprise entre 50 et 120°C pendant une durée minimale de trente minutes suivi d'un second maintien de la pile à une température comprise entre 150 et 250°C pendant une durée minimale d'une heure. - l'étape d) comprend le maintien de la pile en compression à une pression supérieur à 100 kPa. L'invention consiste, mise à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation décrit avec référence aux dessins annexés, mais qui ne sont nullement limitatifs. Parmi les dessins : La figure 1 est une représentation en perspective et en vue éclatée d'une matrice en cours d'empilage selon un exemple de réalisation de l'invention ; La figure 2 est un détail 7 de la matrice de la figure 1 montrant le collage des composants de la matrice ; Les figures 3 à 6 illustrent le traitement d'une tôle de séparation de la matrice de la figure 1 selon le procédé d'assemblage de l'invention ; et Les figures 7 à 9 illustrent le traitement d'une onde de la matrice de la figure 1 selon le procédé d'assemblage de l'invention. Par la suite, pour simplifier la description de l'invention, on fera référence à une matrice d'échangeur de chaleur à tôles de séparation, barres et ondes, sachant que l'invention s'applique également à un échangeur à plaques gravées, ou à un échangeur comprenant une combinaison de tôles de séparation, barres et ondes et de plaques gravées. En outre, on décrira par la suite une matrice en aluminium. Néanmoins, l'invention couvre également des matrices constituées d'autres métaux, tel que notamment l'acier. En se reportant à la figure 1, on peut voir schématiquement représenté un empilage d'une matrice 2 en cours de réalisation. De façon connue, la matrice 2 est constituée d'une pile 3 de composants, à savoir d'ondes 4, de tôles de séparation 5, et de barres 6 en aluminium. La particularité de la matrice 2 est visible à la figure 2. On y distingue une représentation agrandie de la zone 7 de la matrice 2 indiquée à la figure 1. Une onde 4 est située entre deux tôles de séparation 5 et liée à celles-ci. Les deux tôles de séparation 5 disposent de deux faces opposées 8 et 9, et l'onde 4 dispose de deux faces opposées 10 et 11. Selon l'invention, les tôles de séparation 5 et l'onde 4 sont recouverts sur leurs deux faces opposées 8, 9 et 10,11 d'un accrocheur de colle 12. L'accrocheur de colle 12 est composé de deux couches, à savoir d'une couche de conversion 13 s'étendant sur les faces 8, 9, 10, 11, et d'une couche de primaire d'accroche de colle 14 déposée sur la couche de conversion 13. La couche de conversion 13 est constituée d'alumine. La couche de primaire 14 est constituée d'une résine de la famille des résines d'époxyde dans laquelle sont intégrés des inhibiteurs de corrosion, par exemple des sels de zinc. La couche de conversion 13 a une épaisseur I comprise entre 1 et 50 lm et de préférence comprise entre 5 et 20 iim. La couche de primaire 14 a de préférence une épaisseur d de quelques micromètres. Une couche de colle 15 déposée sur les deux faces opposées 8, 9 des tôles de séparation 5 assure la liaison entre les tôles de séparation 5 et l'onde 4. De préférence, l'épaisseur e de la couche de colle 15 est comprise entre 20 et 100 iim. La colle 15 est une colle structurale issue de la famille des résines d'époxyde. La colle 15 contient des éléments inhibiteurs de corrosion, par exemple des sels ou oxydes de zinc. La colle 15 est également chargée de 20 à 60% en masse d'éléments d'addition qui augmentent sensiblement sa conductivité thermique, par exemple d'origine métallique ou céramique. Ainsi, la conductivité thermique de la colle 15 se situe entre 2 et 5 W/m/K. On va maintenant décrire le procédé d'assemblage de la matrice 2, en référence aux figures 3 à 9. Dans une première étape, on réalise en aluminium les tôles de séparation 5, dont un exemple est montré à la figure 3, les ondes 4, dont un exemple est montré à la figure 7, et les barres 6 de la matrice 2. Dans une deuxième étape, les faces opposées 8, 9 des tôles de séparation 5, les faces opposées 10, 11 des ondes 4, ainsi que les barres 6 sont anodisées afin d'y faire croître les couches de conversion 13 en alumine (A1203). L'anodisation est de préférence une anodisation sulfurique ou chromique. Le résultat est représenté aux figures 4 et 8. Si la matrice 2 est assemblée à partir de composants en acier, l'anodisation sera alors remplacée par une opération de phosphatation. Dans une troisième étape, les couches de conversion 13 sont recouvertes par les couches de primaire d'accroche 14. De préférence, cette étape est réalisée par trempage des barres 6, des ondes 4 et des tôles de séparation 5 dans une solution aqueuse de primaire d'accroche. Ainsi, les composants 4, 5, 6 sont enduits de primaire d'accroche 14. Dans une variante, le primaire d'accroche 14 est appliqué sur les composants 4, 5, 6 par projection. On s'assurera que l'application du primaire d'accroche 14 se fait de manière homogène sur l'ensemble des surfaces, afin de garantir ultérieurement une bonne adhérence de l'ensemble des composants 4, 5, 6. Le résultat de la troisième étape est illustré aux figures 5 et 9. L'application du primaire d'accroche 14 est suivie d'un séchage ponctué par un chauffage afin de lier le primaire d'accroche 14 chimiquement aux surfaces traitées. La liaison entre le primaire d'accroche 14 et les surfaces anodisées 13 est de préférence obtenue par un traitement sous air chaud pratiqué à une température comprise entre 50 et 200 °C, ceci pendant une durée qui s'échelonne de préférence entre 30 et 120 mn. De manière particulièrement préférée, on maintient les composants anodisés 4, 5, 6 revêtus de primaire d'accroche 14 à environ 90°C pendant environ 120 mn. Dans une quatrième étape, on applique la colle 15 uniquement sur le primaire d'accroche 14 des tôles de séparation 5. Cela peut être fait sous forme de pâte de colle uniformément déposée par couches à l'aide d'un racloir afin d'aboutir à une épaisseur suffisante et uniforme, ou bien par application d'un film qui sera colaminé sur les tôles de séparation 5, ou par tout autre moyen permettant d'apporter le dépôt de colle 15 sur les tôles de séparation 5. L'application de la colle 15 doit respecter autant que possible une épaisseur résiduelle d'environ 20 à 150 microns afin d'assurer à la fois le rôle de liant et de protection de la tôle de séparation 5 sous-jacente. Le résultat de la quatrième étape est illustré à la figure 6. Le fait même de pouvoir effectuer les étapes deux à quatre sur des composants 4, 5, 6 individuels dont la surface est facilement accessible est un avantage certain. Le contrôle de paramètres prédéterminés comme l'épaisseur ou l'uniformité du dépôt est facilité en respectant cette méthodologie. Le procédé selon l'invention se distingue ainsi avantageusement de procédés dans lesquels la préparation des surfaces des composants 4, 5, 6 est faite a posteriori après assemblage de la pile 3. Dans une cinquième étape, les composants 4, 5, 6 sont empilés afin d'obtenir la pile 3. La sixième étape est constituée d'une phase d'étuvage à une température inférieure à 150 °C de la pile 3 afin de durcir (polymériser) la colle 15. A la fin de l'étuvage on obtient une matrice 2 solide et résistante à la corrosion. L'étuvage consiste par exemple en un chauffage et un maintien à 90 °C de la pile 3 pendant quatre heures, suivi d'un chauffage et d'un maintien à 120 °C de la pile 3 pendant une heure. Cela peut être effectué dans un four-presse, dans un four avec convection forcée ou toute autre méthode de chauffage équivalente. Un dispositif de bridage de la pile 3 est de préférence utilisé pour optimiser la liaison des composants 4, 5, 6 pendant le processus de polymérisation. Le dispositif de bridage peut par exemple maintenir les composants 4, 5, 6 sous une charge constante dépassant 100 kPa. La matrice 2 terminée peut être alors munie de têtes de distribution de fluide afin de constituer un échangeur de chaleur. Les têtes de distribution de fluide peuvent être directement collées sur la surface de la matrice 2 avec ladite colle 15. En variante, les têtes de distribution de fluide sont soudées à la matrice 2 par le biais de pièces intermédiaires préalablement imbriquées à la matrice 2 lors de son empilage selon une configuration mâle/femelle. Lesdites pièces intermédiaires permettent d'éloigner suffisamment la zone de soudage de la matrice 2 afin d'éviter une dégradation des joints de colle de la matrice 2 par les températures élevées régnant lors du soudage. Dans ce cas, l'étanchéité de la liaison entre la pièce intermédiaire et la matrice 2 est assurée par un élastomère à base de silicone. Grâce au procédé d'assemblage selon l'invention, chaque composant métallique 4, 5, 6 est recouvert de couches multiples qui agissent comme barrières à la diffusion et à la propagation des sources de corrosion. Selon une variante de réalisation de l'invention, certains composants 4, 5, 6 de la matrice 2 sont brasés et d'autres collés. Par exemple, des passages de fluide de la matrice 2 destinés à recevoir du fluide corrosif tel que l'eau de mer sont délimités par des composants 4, 5, 6 collés, alors que les passages de fluide de la matrice 2 destinés à des fluides dont la pression d'utilisation est hors du domaine d'utilisation de la colle 15, par exemple de l'ammoniac, sont délimités par des composants 4, 5, 6 brasés. Pour obtenir cet assemblage mixte, dans un premier temps les composants 4, 5, 6 devant être brasés le sont selon le procédé habituel de fabrication d'un échangeur de chaleur brasé. Des sous-ensembles de la matrice 2 sont réalisés avec l'ensemble de ces composants 4, 5, 6, sachant que de la brasure n'est présente que sur les surfaces devant être brasées. Après brasage, les sous-ensembles brasés et les composants 4, 5, 6 restants sont revêtus de colle 15 et empilés pour former la pile 3. La pile 3 subit alors l'étuvage décrit ci-dessus (étape six). La faible température de l'étuvage permet de ne pas dégrader le brasage réalisé en un premier temps. Selon une autre variante de réalisation de l'invention, on assemble une matrice mixte collée/brasée en utilisant de la brasure basse température (température de fusion de la brasure inférieure à 200 °C). Cela permet d'abord d'assembler toute la pile 3 avec ses sous-ensembles revêtus de colle et de brasure, puis d'étuver ladite pile 3 pour ainsi durcir la colle et en même temps fusionner la brasure. Grâce au collage selon l'invention, la matrice d'échangeur de chaleur proposée peut être mise en oeuvre dans des environnements corrosifs en conservant les propriétés de performance thermique et la résistance à la pression nécessaires. En outre, le procédé selon l'invention permet d'assembler des matrices d'échangeur de chaleur de volume important. REVENDICATIONS1.- Matrice (2) métallique d'échangeur de chaleur, caractérisée par un empilement de composants (4, 5, 6), notamment de plaques gravées ou d'ondes (4), de tôles de séparation (5) et de barres (6), ou une combinaison des deux types d'empilement, dans laquelle au moins une partie desdits composants (4, 5, 6) sont liés entre eux par une couche (15), de préférence d'une épaisseur comprise entre 20 et 150 i..tm, de colle structurale à base de résine d'époxyde contenant un inhibiteur de corrosion et chargée de 20 à 60% en masse d'un conducteur thermique assurant une conductivité thermique de la colle de 2 à 5 W/m/K. 2.- Matrice selon la revendication 1, le conducteur thermique de la colle (15) étant à base de métal et/ou de céramique. 3.- Matrice selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'inhibiteur de corrosion de la colle (15) étant à base d'oxydes de zinc. 4.- Matrice selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les composants (4, 5, 6) sont revêtus d'un accrocheur (12) de colle, notamment d'une couche de conversion (13) et/ou d'une couche de primaire (14) d'accroche de colle. 5.- Matrice selon la revendication 4, dans laquelle la couche de conversion (13) a une épaisseur comprise entre 1 et 50 lm et de préférence comprise entre 5 et 20 iim. 6.- Matrice selon la revendication 4 ou 5, dans laquelle les composants (4, 5, 6) sont en aluminium ou un alliage d'aluminium, et la couche de conversion (13) est en alumine. 7.- Matrice selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle une partie des composants (4, 5, 6) sont brasés entre eux. 8.- Echangeur de chaleur comportant une matrice (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, et de préférence au moins une tête de distribution de fluide collée à la matrice (2), notamment avec ladite colle (15). 9.- Procédé d'assemblage d'une matrice (2) métallique d'échangeur de chaleur, caractérisé par les étapes consistant à :a) fournir les composants (4, 5, 6) de la matrice (2) ; b) déposer une colle (15) structurale à base de résine d'époxyde contenant un inhibiteur de corrosion et chargée de 20 à 60% en masse d'un conducteur thermique assurant une conductivité thermique de la colle de 2 à 5 W/m/K sur au moins une partie des composants (4, 5, 6) ; c) empiler les composants (4, 5, 6) de façon à obtenir une pile (3) ; et d) étuver la pile (3) de façon à durcir ladite colle (15) et obtenir ainsi la matrice (2). 10.- Procédé selon la revendication 9, comprenant en outre l'étape consistant à déposer un accrocheur (12) de colle sur les composants (4, 5, 6) avant l'étape b). 11.- Procédé selon la revendication 10, dans lequel le dépôt d'accrocheur (12) de colle comprend une première étape d'anodisation ou de phosphorisation, et/ou une deuxième étape de dépôt d'un primaire (14) d'accroche par trempage du composant dans le primaire ou projection du primaire sur le composant. 12.- Procédé selon la revendication 11, comprenant en outre l'étape consistant à sécher et chauffer les composants (4, 5, 6) recouverts de primaire d'accroche (14) à une température comprise entre 50 et 200'C pendant une durée comprise entre 30 et 120 mn. de façon à lier le primaire d'accroche (14) au composant. 13.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, dans lequel l'étape b) comprend i) la prévision de la colle (15) sous forme de pâte et son étalement sur le composant à l'aide d'un racloir, ou ii) le colaminage de la colle (15) sur le composant (5). 14.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 13, dans lequel l'étape d) comprend un premier maintien de la pile (3) à une température comprise entre 50 et 120'C pendant une durée minimale de trente minutes suivi d'un second maintien de la pile (3) à une température comprise entre 150 et 250`C pendant une durée minimale d'une heure. 15.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 14, dans lequel l'étape d) comprend le maintien de la pile (3) en compression à une pression supérieur à 100 kPa.