FR2975613A1

FR2975613A1 - Procede de fabrication d'une mousse metallique munie de conduits et mousse metallique ainsi obtenue

Info

Publication number: FR2975613A1
Application number: FR1101610A
Authority: FR
Inventors: Frederic Poggi
Original assignee: Filtrauto SA
Current assignee: Sogefi Filtration SA
Priority date: 2011-05-25
Filing date: 2011-05-25
Publication date: 2012-11-30
Anticipated expiration: 2031-05-25
Also published as: CN103930223B; CA2837151A1; WO2012160275A1; BR112013030172A2; KR20140033163A; JP2014515989A; EP2714303B1; EP2714303A1; US20140186652A1; MX2013013665A; CN103930223A; FR2975613B1

Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une mousse métallique munie d'au moins un conduit et destinée notamment à la fabrication d'échangeur thermique à partir d'une préforme (1) de billes. On dispose dans un moule de fonderie un noyau (2) constitué d'une âme (3) et d'un enrobage (4) en matériau fusible à basse température, puis on dispose la préforme (1) autour du noyau en réalisant un contact intime avec ce noyau, puis on provoque par chauffage l'élimination du matériau fusible à basse température, puis on coule la masse métallique en fusion dans le moule pour remplir les espaces libres entre les billes et entre les billes et l'âme (3) et on élimine enfin les billes.

Description

1 Le secteur technique de la présente invention est celui de la fabrication des mousses métalliques incorporant des conduits débouchant de part et d'autre. Ces mousses métalliques peuvent être utilisées en particulier dans les échangeurs thermiques pour dissiper ou diffuser la chaleur. Toutefois, il s'avère important de disposer un ou plusieurs conduits traversant de part en part la mousse métallique afin réaliser des échangeurs plus complexes permettant la circulation d'un second fluide au sein de l'échangeur ou afin de réalise des passages préférentiels (connus sous la dénomination de « Bypass »). On a déjà proposé de réaliser un ou des conduits à l'intérieur d'une mousse métallique. Ainsi, le document US-2009/0085520 propose de perforer la mousse afin d'y introduire un tube soit en forçant soit en prévoyant un brasage après introduction du tube pour le solidariser avec la mousse. On comprend que cette manière de faire implique d'abord la fabrication de la mousse métallique, puis son percement et enfin la mise en place du tube de manière solidaire avec la mousse. La tenue du tube dans la mousse est obtenue selon ce document de diverses manières, par exemple par brasage, par compression de la mousse sur le tube, par un ajustement serré du tube, etc... Enfin, on comprend que ce système ne permet l'insertion que de tubes rectilignes.

Le brevet EP-1808241 décrit un procédé de réalisation de conduits dans une mousse métallique selon lequel on insère les tubes métalliques préalablement dans la préforme avant la coulée de l'aluminium ou de l'alliage d'aluminium en fusion ou bien après la coulée. Ce système prévoit donc l'insertion d'un tube préformé. La technologie des mousses métalliques est bien connue et on peut se reporter aux brevets EP-1808 241, US-3236706 et EP-2118328 qui préconisent la fabrication d'une préforme sous forme de granules à partir d'un sel, tel le chlorure de sodium. Après, remplissage de l'espace libre entre les granules à l'aide d'un métal fondu, le sel est dissous pour récupérer la mousse métallique. Quel que soit le procédé employé pour l'obtention d'un

2 conduit au sein d'une mousse métallique, on se heurte à une conductivité dégradée au niveau de la liaison entre le tube et le milieu poreux de la mousse. De plus, au cours du temps, la tenue mécanique entre le tube et la mousse formant deux parties s'altère. Enfin, il est à ce jour impossible de former le conduit et la mousse métallique en une seule étape et avec le même matériau. Le but de la présente invention est de fournir une mousse métallique incorporant un tube traversant obtenu pendant la 10 fabrication même de la mousse. La fabrication de la mousse s'effectue de façon classique à partir d'une préforme de granules comme décrit par exemple dans le document ci-après cité. En effet, le brevet EP-2118328 décrit une méthode 15 particulièrement intéressante en proposant de fabriquer une préforme avec des granules à base de farine de grains. On réalise alors une cuisson de cette préforme avant le coulage du métal afin de détruire les chaînes carbonées des granules. Ce brevet prévoit donc d'abord la fabrication d'une pâte 20 constituée de farine, de chlorure de sodium et d'eau. A partir de cette pâte, on prépare des granules qui sont utilisées ensuite pour fabriquer la préforme. L'invention a donc pour objet un procédé de fabrication d'une mousse métallique munie d'au moins un conduit et 25 destinée notamment à la fabrication d'échangeur thermique à partir d'une préforme de billes, caractérisé en ce qu'on dispose dans un moule de fonderie un noyau constitué d'une âme et d'un enrobage en matériau fusible à basse température, puis on dispose la préforme autour du noyau en réalisant un 30 contact intime avec ce noyau, puis on provoque par chauffage l'élimination du matériau fusible à basse température, puis on coule la masse métallique en fusion dans le moule pour remplir les espaces libres entre les billes et entre les billes et l'âme et on élimine enfin les billes. 35 Selon une réalisation particulière, le conduit est constitué, après coulage de la masse métallique, par la masse métallique remplaçant l'enrobage de cire. Selon une autre réalisation particulière, l'âme du noyau

3 est constituée par de la céramique, de l'acier, du sable, d'un matériau soluble ou d'un matériau identique à celui constituant la préforme. Selon encore une autre réalisation, le noyau est constitué de trois éléments, un premier élément constitué par l'âme en céramique, acier ou sable, un second élément constitué par une couche périphérique de matériau réfractaire et un troisième élément constitué par un enrobage de matériau fusible à basse température.

Selon encore une autre réalisation, le noyau est constitué de quatre éléments, un premier élément constitué par l'âme en céramique, en acier ou en sable, un second élément constitué par une couche périphérique d'un matériau réfractaire, un troisième élément constitué par une couche d'un matériau céramique et une quatrième couche constituée par l'enrobage de matériau fusible à basse température. Selon encore une autre réalisation, le noyau est rectiligne. Selon encore une autre réalisation, le noyau est muni de 20 courbures. Selon encore une autre réalisation, l'âme est tubulaire. Selon encore une autre réalisation, le matériau fusible à basse température est une cire. Selon encore une autre réalisation, l'enrobage comporte 25 au niveau de sa surface interne des protubérances continues ou discontinues. L'invention concerne également la mousse métallique obtenue suivant le procédé selon l'invention en étant munie d'au moins un conduit. 30 Avantageusement, le conduit est de forme tubulaire rectiligne ou courbe. Avantageusement encore, le conduit et la mousse sont à base d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium. Un tout premier avantage de la présente invention réside 35 dans l'obtention d'une mousse incorporant un conduit de même nature que la mousse métallique elle-même. Un autre avantage de l'invention réside dans l'obtention pour la première fois et de manière simultanée de la mousse métallique et du ou des conduits. Un autre avantage de l'invention réside dans le fait d'obtenir un conduit de n'importe quelle forme, par exemple rectiligne, courbe, ou autres.

Un autre avantage encore de l'invention dans l'absence d'interaction néfaste entre le conduit et la mousse métallique. Un autre avantage encore de l'invention réside dans l'élimination de tout problème de tenue mécanique ou de conductivité thermique entre le ou les conduits et la mousse métallique. D'autres caractéristiques, avantages et détails de l'invention seront mieux compris à la lecture du complément de description qui va suivre de modes de réalisation donnés à titre d'exemple en relation avec des dessins sur lesquels : - la figure 1 est une vue montrant une préforme dans laquelle est inséré un noyau, - les figures 2-6 illustrent des coupes montrant diverses réalisations d'un noyau, - la figure 7 est une coupe montrant une autre réalisation d'un noyau, et - les figures 8 et 9 sont des coupes de la mousse métallique avec un conduit réalisé in situ. Dans la suite de la description, on considérera que la préforme est réalisée de manière connue, c'est-à-dire à partir de billes agglomérées et que cette préforme est utilisée de manière connue pour fabriquer une mousse métallique. Le matériau constituant la mousse métallique est lui aussi connu et on citera à titre d'exemple l'aluminium, les alliages d'aluminium et tous les matériaux connus utilisés en fonderie. Pour plus de précision, on pourra se reporter au brevet précité. Comme indiqué précédemment, on insère selon l'invention au sein de la préforme un noyau qu'il est possible de préparer de différentes manières. De façon générale, l'invention repose sur le remplacement d'une couche d'enrobage fusible par le matériau même de la mousse métallique pour réaliser le conduit in situ. Sur la vue selon la figure 1, on a représenté une préforme constituée des billes 1, comprimée ou non, dans laquelle un noyau 2 est disposé. Ce noyau est constitué d'une âme 3 et d'un enrobage 4. On a représenté une préforme 6 5 extraire de son moule pour des raisons de clarté. Cette préforme est de forme parallélépipédique dans laquelle on a inséré le noyau 2 selon la figure 1. On voit que l'ensemble des billes 1 sont en contact intime les unes avec les autres. L'extrémité de l'enrobage 4 vient en affleurement de la paroi latérale de la préforme alors que l'âme 3 est saillante. Cette représentation n'est nullement limitative et l'invention pourra également être réalisée en faisant dépasser la cire afin de créer une peau ou d'obtenir un tube saillant par rapport à la mousse.

Bien entendu, dans le moule d'injection du métal en fusion, on dispose d'abord le noyau 2 avec une position droite ou inclinée selon les besoins de l'utilisateur puis on y verse les billes. La mousse est ensuite réalisée selon la technologie connue qu'il n'est pas nécessaire de décrire en détail. Il va de soi qu'il est possible de disposer plusieurs noyaux pour obtenir plusieurs conduits. Sur la figure 2, on a représenté en coupe un premier mode de réalisation du noyau 2 constitué de l'âme 3 et de l'enrobage 4. L'âme 3 est constituée par exemple par un matériau céramique, de l'acier ou du sable communément utilisés dans la technologie de la fonderie. L'enrobage est ici constitué d'une couche de cire ou de tout autre matériau fusible à basse température. Par matériau fusible à basse température, on entend un matériau dont le point de fusion est compris entre 40°C et 150°C. Bien entendu, le diamètre de l'âme et l'épaisseur de la couche d'enrobage sont dictés par les applications envisagées de la mousse métallique. Ainsi, des diamètres de l'âme supérieurs à 2 mm peuvent être envisagés et une épaisseur d'enrobage de 0,5 mm à 10 mm (préférentiellement 0,5 à 3 mm) peut être adoptée. Sur la figure, on a représenté un noyau rectiligne. Mais il va sans dire qu'un noyau de forme quelconque peut être réalisé. Dans ce cas, on privilégiera une âme en sable.

6 Cette préforme 1 intégrant le noyau 2 est traitée de manière classique pour fabriquer la mousse métallique. Ainsi, au cours de la montée en température du moule, on agglomère les billes entre elles pour créer la préforme rigide, puis l'enrobage 4 fondu et éliminé par simple écoulement de fluide. On injecte le métal en fusion de manière connue qui viendra occuper les espaces interstitiels entre les billes et l'espace libre laissé par l'enrobage entre la préforme et l'âme restante pour constituer le conduit. Après refroidissement, l'âme 3 est extraite ou éliminée s'il s'agit de sable pour laisser libre le conduit formé. Sur la figure 3, on a représenté en coupe une variante de réalisation du noyau 2 en trois parties à savoir l'âme 3 sur laquelle une couche 5 d'un matériau réfractaire est appliquée et enfin l'enrobage 4 de cire ou de matériau fusible à basse température. L'intérêt de ce matériau réfractaire est de faciliter le démoulage du noyau après coulage du métal alors que la rigidité est assurée par l'âme 3. Ce matériau réfractaire permet également d'augmenter le diamètre du conduit final sans modifier l'âme. Sur la figure 4, on a représenté le noyau 2 selon la figure 3 dont l'âme 3 est évidée longitudinalement pour présenter un canal 6. L'intérêt de cette réalisation réside dans la réduction de la matière constituant l'âme 3. Un autre avantage d'une telle réalisation demeure dans la possibilité d'y faire circuler un flux d'air afin d'améliorer le refroidissement après coulage. L'âme se présente alors sous la forme d'un tube d'épaisseur plus ou moins importante. Sur la figure 5, on a représenté en coupe un autre mode de réalisation du noyau 2 en quatre parties. L'âme 3 est recouverte d'une couche 5 d'un matériau réfractaire, elle-même recouverte d'une couche d'un matériau céramique 7 et enfin la couche d'enrobage 4. L'utilisation du matériau céramique permet d'augmenter la rigidité du matériau réfractaire et d'éliminer les infiltrations potentielles d'aluminium fondu dans le réfractaire et d'éviter ainsi les micro-fissures. Sur la figure 6 qui représente une variante du mode de

7 réalisation selon la figure 5, on a prévu une âme 3 creuse se présentant sous la forme d'un tube. Cette réalisation permet une économie de matière du matériau constitutif de l'âme. Tous les noyaux précédemment décrits en relation avec les figures sont insérés dans une préforme afin de réaliser un ou plusieurs conduits à l'intérieur de la mousse métallique. A cette fin, on dispose le noyau dans le moule de fabrication de la mousse puis on introduit les billes en s'assurant d'une bonne compacité qui favorisera le contact entre toutes les billes. Si nécessaire la préforme est comprimée. Tous ces noyaux peuvent comporter une âme en matériau céramique, en acier, ou en sable, et plus généralement n'importe quel matériau utilisable dans le domaine de la fonderie. Il va de soi que lorsque l'âme est réalisée en matériau céramique ou en acier elle se présente sous la forme d'un barreau droit pour assurer son extraction, le conduit obtenu étant rectiligne. Le noyau peut occuper n'importe quelle position à l'intérieur de la préforme et le tube peut alors déboucher en n'importe point des faces de la mousse métallique en entrée et en sortie. Sur la figure 7, on a représenté un autre mode de réalisation du noyau 2 dont l'âme 9 comporte plusieurs courbures et recouverte d'un enrobage 4 de cire ou d'un matériau fusible à basse température. Dans ce cas, l'âme 9 est réalisée en sable ou en un matériau friable. Le conduit obtenu au sein de la mousse permet d'obtenir une plus grande surface de contact entre le fluide circulant dans la mousse métallique et le fluide circulant dans le conduit. Sur la figure 8, on a représenté une coupe d'un bloc de mousse métallique 10 constituée par un treillis métallique 11 au sein duquel le conduit tubulaire 12 est formé dans l'espace libre entre les billes et l'âme après fusion de l'enrobage. On comprend que l'épaisseur du conduit 12 est sensiblement égale à l'épaisseur de la couche d'enrobage.

On voit tout l'intérêt de la présente invention puisque la mousse 10 et le conduit 12 sont réalisés simultanément lors de la coulée du métal fondu. Ils sont donc de même nature ce qui assure une conductivité identique au niveau de

8 ces deux éléments et élimine les problèmes de tenue mécanique. Sur la figure 9, on a représenté une coupe longitudinale au niveau du conduit 12 et on voit que le conduit 12 est totalement imbriqué dans le treillis ll de la mousse métallique avec une confusion de la matière. Sur les figures 10 et 11, on a représenté une variante de réalisation consistant à réaliser des rainures ou des entailles sur la surface externe de l'âme 3 (ou du matériau réfractaire). Lesdites rainures ou entailles étant comblées au moyen de l'enrobage 4, réalisant ainsi des protubérances 13 continues ou discontinues au niveau de la surface interne de l'enrobage 4 permettant, lors de la coulée de métal, la création de surface d'échange disposées à l'intérieure du conduit afin d'améliorer les échanges thermiques. Ces protubérances 13 sont ici représentées à titre illustratif et non exhaustif, sous forme de sections triangulaires et rectangulaires. Il va de soi pour l'homme du métier qu'elles pourront se présenter sous d'autres formes visant à favoriser les échanges thermiques tout en préservent l'écoulement du fluide à l'intérieur du conduit. Un avantage de ce mode de réalisation réside dans l'augmentation de la surface d'échange à l'intérieur du conduit et donc de l'efficacité du dispositif.

Sur les figures illustrant l'invention on a représenté à titre illustratif et non limitatif le noyau, l'enrobage et la tubulure de section sensiblement circulaire, il va de soi que l'Homme de l'Art sera en mesure de réaliser l'invention en utilisant des sections différentes, notamment ovales ou rectangulaires. Les mousses selon l'invention sont particulièrement aptes à la réalisation d'échangeurs thermiques, quels que soient ces échangeurs, liquide/liquide, ou liquide/gaz, ou gaz/gaz, ou les fluides à changement de phase (liquide -* gaz).35

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une mousse métallique (10) munie d'au moins un conduit (12) et destinée notamment à la fabrication d'échangeur thermique à partir d'une préforme (1) de billes, caractérisé en ce qu'on dispose dans un moule de fonderie un noyau (2) constitué d'une âme (3, 9) et d'un enrobage (4) en matériau fusible à basse température, puis on dispose la préforme (1) autour du noyau en réalisant un contact intime avec ce noyau, puis on provoque par chauffage l'élimination du matériau fusible à basse température, puis on coule la masse métallique en fusion dans le moule pour remplir les espaces libres entre les billes et entre les billes et l'âme (3, 9) et on élimine enfin les billes.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit (12) est constitué, après coulage de la masse métallique, par la masse métallique remplaçant l'enrobage (4) de cire.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'âme (3, 9) du noyau (2) est constituée par de la céramique, de l'acier, du sable, d'un matériau soluble ou d'un matériau identique à celui constituant la préforme.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le noyau (2) est constitué de trois éléments, un premier élément constitué par l'âme (3) en céramique, acier ou sable, et un second élément constitué par une couche périphérique (5) de matériau réfractaire et un troisième élément constitué par un enrobage (4) de matériau fusible à basse température.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le noyau (2) est constitué de quatre éléments, un premier élément constitué par l'âme (3) en céramique, en acier ou en sable, un second élément constitué par une couche périphérique (5) d'un matériau réfractaire, un troisième élément constitué par une couche (7) d'un matériau céramique et une quatrième couche constituée par l'enrobage (4) de matériau fusible à basse température.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le noyau (2) est rectiligne.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le noyau (9) est muni de courbures.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'âme (3) est tubulaire.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau fusible à basse température est une cire.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enrobage (4) comporte au niveau de sa surface interne des protubérances (13) continues ou discontinues.
11. Mousse métallique obtenue suivant le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes munie d'au moins un conduit (12).
12. Mousse métallique selon la revendication 11, caractérisée en ce que le conduit (12) est de forme tubulaire rectiligne ou courbe.
13. Mousse métallique selon la revendication 11 ou 12, caractérisée en ce que le conduit (12) et la mousse (10) sont 20 à base d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium.