FR2570482A1 - Tube de chaleur en aluminium, en acier ou fonte grise - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN TUBE DE CHALEUR EN ALUMINIUM, ACIER OU FONTE GRISE. POUR RENDRE LE TUBE DE CHALEUR RESISTANT A L'EAU LORSQUE CE LIQUIDE EST UTILISE COMME AGENT DE TRANSMISSION DE CHALEUR, ET POUR RENDRE LEDIT TUBE ETANCHE AU VIDE PENDANT UNE LONGUE PERIODE, CE TUBE DE CHALEUR EST POURVU INTERIEUREMENT, POUR TOUTES SES PARTIES 2, 4, D'UN REVETEMENT 6 TOTALEMENT CONTINU, ETANCHE AUX LIQUIDES, ET CONSTITUE D'UN METAL RESISTANT A L'EAU, NOTAMMENT DU CUIVRE ETOU DU NICKEL; LE REVETEMENT PEUT EGALEMENT ETRE FORME D'UN MATERIAU POUR BRASAGE DUR. L'EPAISSEUR DU REVETEMENT EST COMPRISE ENTRE ENVIRON 10 ET 30MICRONS, DE PREFERENCE ENTRE 20 ET 25MICRONS, LES DIFFERENTS ELEMENTS DU TUBE DE CHALEUR SONT CHACUN POURVUS, AVANT L'ASSEMBLAGE PAR BRASAGE, D'UN REVETEMENT S'ETENDANT COMPLETEMENT JUSQUE DANS LA ZONE DU JOINT A BRASER B. APPLICATION NOTAMMENT AUX DISQUES DE FREIN DE VEHICULES.
Description
La présente invention concerne un tube de chaleur en aluminium, acier ou
fonte grise, mis sous vide et rempli au moins en partie d'un agent liquide
de transmission de chaleur.
Des tubes de chaleur sont utilisés d'une manière connue dans de nombreuses applications; ils sont en général réalisés à partir de matériaux comme
l'aluminium ou l'acier, en particulier un acier ino-
xydable. Avant toutes choses, l'aluminium offre des avantages particuliers, car il est d'une part bon conducteur de la chaleur, et d'autre part il peut
être extrudé avec des formes compliquées et facile-
ment usiné. A cet égard, on peut citer les profilés extrudés comportant des ailettes de transmission de chaleur, ou bien des corps stratifiés à couches partiellement liées et soufflées qui constituent des demiéléments en aluminium, dont la fabrication est peu coûteuse, et qui constituent de bonnes
matières de base pour réaliser des tubes de chaleur.
Evidemment, l'aluminium résiste normalement à la corrosion par l'eau, tant qu'il existe une couche continue d'oxyde d'aluminium. Cependant, à cause de la fragilité de cette couche, il se produit fréquemment des fissures lors de sollicitations thermiques de ces tubes de chaleur, de sorte que de l'eau peut arriver directement à l'aluminium et former avec lui un hydroxyde. Ainsi, dans un cadre expérimental, on a utilisé un tube de chaleur en aluminium canalisant de l'eau comme agent de transport de chaleur, et ce tube, au bout de quelques heures de service, a été attaqué, au moins en de très petits endroits, de sorte que le vide établi à l'intérieur du tube de chaleur a été
supprimé, et que son efficacité a de ce fait disparu.
Des phénomènes analogues se produisent également avec l'acier qui, d'une manière connue, n'est également pas résistant à une corrosion par l'eau. De plus, un acier dit inoxydable n'est pas résistant lorsqu'on l'utilise dans des tubes de chaleur contenant de l'eau comme agent de transmission de chaleur, car il se produit une désoxydation thermique dans la zone de vaporisation du tube de chaleur, et il s'établit ainsi une carence en oxygène pour la formation d'une couche de passivation. Par ailleurs, les tubes de chaleur en acier inoxydable sont soumis à une attaque, lors d'une utilisation avec de l'eau comme agent de
transmission de chaleur, au bout d'un temps relative-
ment court.
En conséquence, on a utilisé des tubes de chaleur réalisés à partir des matériaux précités, mais avec d'autres liquides servant d'agents de transmission
de chaleur. En particulier, on a utilisé des hydro-
carbures fluorés, qui sont relativement coûteux, et avec lesquels la capacité thermique du tube de chaleur est considérablement plus faible que celle obtenue en
utilisant de l'eau.
On a également déjà proposé des tubes de
chaleur réalisés en fonte grise; cependant, la struc-
ture cristalline de la fonte n'est pas suffisamment résistante au vide pour pouvoir maintenir le tube de chaleur en état de fonctionnement correct pendant une longue période de temps. Les causes de cette déficience ne sont pas clairement connues, et une hypothèse à cet
égard a été avancée, fondée sur la présence de micro-
fissures. L'invention a pour but de proposer des tubes de chaleur en aluminium, en acier ou en fonte grise, pouvant fonctionner sans altération pendant une longue période de temps et sans effet perturbateur,
avec de l'eau comme fluide caloporteur.
Ce but est atteint avec un tube de chaleur conforme à l'invention, lequel est pourvu intérieurement,
dans toutes ses parties, d'un revêtement totalement con-
tinu, étanche aux liquides, et réalisé à partir d'un métal résistant à l'eau, ledit tube étant rempli d'eau comme agent de transmission de chaleur. Grâce à ce revêtement intérieur métallique continu, exempt de micropores et exempt de fissures, en particulier constitué de cuivre ou de nickel, le tube de chaleur en aluminium ou en acier obtenu est résistant à l'eau. On doit cependant faire en sorte qu'il ne comporte pas la moindre fissure ou pore en un endroit isolé de la surface intérieure du
revêtement; en particulier, dans les zones de raccorde-
ments du tube de chaleur, le revêtement doit être aussi continu et sans défaut. Des pièces coulées sont ainsi
absolument étanches au vide: à cet effet, il est néces-
saire de prévoir un revêtement d'une épaisseur minimale de l'ordre de 10 microns, et de préférence de 20 à microns. Le revêtement proposé satisfait alors à toutes les conditions suivantes: avec les procédés actuels de dépôt ou de revêtement, il est possible de lier du cuivre ou du nickel d'une façon thermiquement homogène et bonne conductrice de la chaleur avec le matériau de base, comme par exemple l'aluminium, la fonte grise ou l'acier, de façon qu'il se produise seulement une très petite différence de température
dans la zone de transition avec le matériau de base.
En outre, ces matériaux peuvent être déposés sans porosités et avec étanchéité au vide. Il est ainsi possible d'obtenir de très minces revêtements, avec un ordre de grandeur conforme à celui cité plus haut, de façon qu'il ne se produise qu'une faible diminution de température par suite de l'augmentation d'épaisseur de paroi. Le revêtement proprement dit présente une certaine élasticité, et peut absorber facilement, génération de tensions ou fissures, les dilatations
thermiques inévitables pour un tube de chaleur en alu-
minium ou en acier. De plus, des formes intérieures compliquées peuvent être facilement revêtues de cette manière, pour se conformer à des conditions prescrites particulières. Les matériaux de revêtement précités sont résistants à l'eau lors d'une utilisation comme tubes de chaleur, et ils peuvent également être bien
mouillés par l'eau. En outre, les matériaux de revête-
ment proprement dits sont compatibles avec les maté-
riaux de base, et ne génèrent avec eux aucune action corrosive. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la
description, donnée à titre d'exemple non limitatif,
en référence aux dessins annexés dans lesquels: La Figure 1 est une coupe longitudinale d'un tube de chaleur; La Figure 2 est une coupe transversale selon II-II du tube de chaleur de la Figure 1; La Figure 3 représente à échelle agrandie
le détail III de la Figure 1, avant assemblage des élé-
ments individuels par brasage; La Figure 4 montre le même détail que sur la Figure 3, mais une fois l'assemblage réalisé; et La Figure 5 est une demi-vue en coupe d'un disque de frein en fonte grise agencé comme un tube de
chaleur, avec une coupe de détail.
Le tube de chaleur 1 représenté sur les Figures 1 et 2 se compose essentiellement d'une partie tubulaire 2, par exemple en aluminium, fabriquée par extrusion, et qui
comporte sur sa surface intérieure une structure capil-
laire 3 ici obtenue par des stries longitudinales. Les extrémités frontales de la partie tubulaire 2 sont fermées par des capots 4, 4' fixés par brasage, une canule de
remplissage 5 étant en outre fixée par brasage, traver-
sant le capot 4'. L'intérieur du tube de chaleur peut -ainsi être mis sous vide par l'intermédiaire de cette canule; de plus, l'agent de transmsision de chaleur peut être auparavant injecté dans le tube par son intermédiaire liquide 9. Ensuite, cette canule de remplissage est écrasée, et fermée hermétiquement par
soudage.
Comme le montrent les représentations à
échelle agrandie des Figures 3 et 4, la surface inté-
rieure du tube de chaleur est pourvue intégralement d'un revêtement 6 continu, étanche aux liquides, et constitué d'un métal résistant à l'eau, par exemple du cuivre ou du nickel, ou bien un alliage de brasage dur, en particulier à partir de ces deux métaux. L'épaisseur du revêtement est comprise entre environ 10 et 30 microns,
et de préférence entre 20 et 25 microns, de façon à con-
finer au revêtement une épaisseur suffisamment grande pour que ce revêtement soit exempt de pores, et pour augmenter le moins possible l'épaisseur de paroi et le poids du tube de chaleur. Le revêtement peut être déposé par voie chimique, ou également de façon galvanique. Il est aussi possible d'effectuer un dépôt par compression ou un dépôt par brasage en utilisant des feuilles métalliques minces profilées de manière appropriée. Lors d'un dépôt par brasage en particulier, on utilise comme matière de revêtement également une matière de brasage dur, qui est
tout à fait appropriée.
Pour être assuré que le revêtement s'étende
également sans porosités jusque dans la zone de raccor-
dement à braser, les tronçons du tube de chaleur à bra- ser sont tous entièrement pourvus, avant l'assemblage par brasage, d'un revêtement qui s'étend jusque dans la zone de raccordement à braser 10, ainsi que cela est clairement illustré en particulier à la Figure 3. Il est en particulier avantageux que le revêtement s'étende sur toute la largeur B du joint à braser pour faire en sorte
que, pour une brasure 7 (Figure 4) qui ne doit pas rem-
plir complètement le joint brasé 10, la surface du joint pouvant être mouillée de l'intérieur soit bien pourvue du revêtement 6. En particulier, les tronçons individuels
du tube de chaleur sont pourvus, après leur usinage méca-
nique en vue d'une adaptation précise du revêtement aux cotes désirées, de façon que ce revêtement ne puisse pas être à nouveau enlevé partiellement lors d'un nouvel
usinage.
Non seulement, le revêtement 6 est prévu sur la partie tubulaire 2 du tube de chaleur de la manière précitée, mais également sur les capots d'extrémités 4 et 4'. En particulier, le capot d'extrémité 4' portant la canule de remplissage 5 est pourvu du revêtement 6 dans la zone du trou 8 prévue pour la réception de la canule de remplissage. On peut cependant se passer d'un tel revêtement des capots d'extrméités, si ceux-ci
sont formés intégralement de cuivre ou de nickel.
Du fait qu'on utilise dans la plupart des
cas un petit tube de cuivre pour la canule de remplis-
sage 5, celle-ci n'a pas besoin d'être revêtue d'un matériau correspondant, ce qui est également avantageux
pour de telles petites pièces.
Les Figures 1 et 2 illustrent simplement un tube de chaleur de forme circulaire, qui a été fabriqué par un procédé d'extrusion, mais cependant il va de soi qu'on peut envisager l'emploi de tubes de chaleur ayant d'autres formes, par exemple des profilés extrudés ou bien des corps stratifiés à couches partiellement liées et soufflées. On peut envisager par exemple l'utilisation de profilés extrudés de forme rectangulaire, qui sont pourvus de voiles intermédiaires raidisseurs orientés longitudinalement. Sur la surface extérieure, on peut prévoir des nervures de refroidissement qui sont mises
en place par tout procédé connu d'enlèvement de matière.
Dans de tels tubes de chaleur de forme rectangulaire, les capots extrêmes peuvent être constitués simplement par des bandes métalliques étroites, par exemple en cuivre, de manière à pouvoir éviter tout revêtement particulier dans lesdites zones. Dans le cas de corps stratifiés à couches partiellement liées et soufflées, les capots extrêmes sont supprimés; il suffit alors d'utiliser une canule de remplissage qui - comme indiqué
ci-dessus - peut également être réalisée en cuivre.
Comme cela a été précisé, non seulement des tubes de chaleur en aluminium, mais également des tubes de chaleur en acier peuvent être rendus résistants à l'eau de la manière décrite ci-dessus, de sorte qu'on peut se passer complètement d'un acier inoxydable plus coûteux et en utilisant un acier normal, pour autant
que celui-ci convienne pour les conditions d'utilisa-
tion du tube de chaleur.
La Figure 5 est une vue en coupe d'un disque de frein 11, qui est réalisé sous la forme d'une pièce en fonte grise. La fonte grise a été notamment choisie à cause de ses bonnes propriétés de glissement dans la
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zone des surfaces de freinage 12. Le disque de frein a essentiellement une forme de chapeau, et il comporte une partie en forme de disque portant les surfaces de freinage 12, un moyeu 13, et une collerette de moyeu 15. La partie-disque et le moyeu sont creux; cependant les parois des deux surfaces de freinage placées dans des positions mutuellement opposées sont raidies par des nervures d'appui pour résister à des forces de compression axiale des mâchoires de frein. Sur la périphérie extérieure du moyeu 13 sont formées des nervures de refroidissement 14 pour l'évacuation de la chaleur. Pour pouvoir former une cavité dans la partie-disque et dans le moyeu, la partie-disque de
la pièce brute en fonte grise est ouverte sur la péri-
phérie de façon à pouvoir soutenir dans cette zone un noyau en sable. Cette ouverture périphérique en forme de fente est obturée de façon étanche au vide par une ceinture de fermeture 16 fixée par brasage. Comme le montre la vue de détail à échelle agrandie, la surface latérale de la cavité intérieure du disque de frein
est pourvue d'un revêtement 6 qui s'étend sans poro-
sités sur toute la surface de ladite cavité, jusque dans la zone du joint brasé - brasure 17. L'épaisseur S du revêtement est choisie suffisamment grande pour que les inégalités et/ou microfissures de la structure
cristalline de la fonte soient ainsi fermées et recou-
vertes de façon correcte et permanente. Le matériau
métallique du revêtement est choisi de manière à pou-
voir être déposé galvaniquement ou électrochimiquement, en étant constitué par exemple par du cuivre, du nickel ou du chrome. On peut également envisager une structure multicouche pour le revêtement. Par l'introduction d'électrodes profilées spécialement dans la cavité du disque de frein, lorsque celle-ci est encore ouverte
sur la périphérie extérieure, il est possible d'effec-
tuer un revêtement galvanique uniforme sur toutes ses parties désirées. Le choix de l'agent de transmission de chaleur dépend fonctionnellement du niveau de tempé- rature auquel doit fonctionner le tube de chaleur. Dans le cadre de cette application particulière, les disques
de freins peuvent être soumis en service à de très hau-
tes température, de sorte que l'agent de transmission
de chaleur approprié sera constitué par du sodium métal-
lique qui est vaporisé dans la zone des surfaces de freinage 12 et qui se recondense dans la zone du moyeu refroidi. Sous l'influence des forces centrifuges, le sodium liquide revient à nouveau dans la zone chauffée
des surfaces de freinage o il est à nouveau vaporisé.
RE V E N D I C A T I ONS
1.- Tube de chaleur en aluminium, acier ou fonte grise, mis sous vide et rempli en partie d'un agent liquide de transmission de chaleur, caractérisé
en ce que le tube de chaleur (1) est pourvu intérieure-
ment, dans toutes ses parties, d'un revêtement (6) totalement continu étanche aux liquides, constitués d'un métal résistant à l'eau, ledit tube contenant un
volume d'eau (9) comme agent de transmission dechaleur.
2.- Tube de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le revêtement (6) est réalisé
à partir de cuivre et/ou de nickel.
3.- Tube de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le revêtement (6) se compose
d'un matériau de brasage dur.
4.- Tube de chaleur selon l'une quelconque des
revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le revête-
ment (6) aune épaisseur d'environ 10 à 30 microns (épaisseur S).
5.- Tube de chaleur selon l'une quelconque
des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les
portions à braser (2, 4, 4') du tube de chaleur (1)
sont pourvues, avant l'opération de brasage, du revê-
tement (6), complètement et jusque dans la zone de
raccordement à braser (10).
6.- Tube de chaleur selon la revendiaction 5, caractérisé en ce que le revêtement (6) s'étend sur
toute la largeur (B) du joint à braser (10).
7.- Tube de chaleur selon l'une quelconque
des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'au moins
une des parties à braser (5) du tube de chaleur (1) se compose intégralement du matériau du revêtement (6),
ledit matériau étant de préférence du cuivre.
il 8.- Tube de chaleur qui a été mis sous vide
et qui est rempli en partie d'un agent liquide de trans-
mission de chaleur, caractérisé en ce que le tube de
chaleur, se composant de fonte grise, est pourvu inté-
rieurement, dans toutes ses parties, d'un revêtement métallique totalement continu, étanche aux liquides et
formé de préférence de cuivre et/ou de nickel.
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