FR3060109A1 - HEAT EXCHANGER WITH A COLLECTOR PLATE OF ALUMINUM ALLOY AND METAL CARBIDE - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un échangeur de chaleur 1 comportant : • des tubes métalliques 5 parallèles les uns avec les autres et formant un faisceau de tubes 7, dans lesquels un fluide caloporteur est apte à circuler, et • deux plaques collectrices 3, une plaque collectrice 3 étant disposée et brasée à chaque extrémité du faisceau de tubes 7, caractérisé en ce qu'au moins une des plaques collectrices 3 est réalisée dans un matériau comprenant : • une matrice d'aluminium ou d'alliage d'aluminium, et • des inclusions de carbure métallique dans ladite matrice, lesdites inclusions de carbure métallique présentant un coefficient de dilatation inférieur au coefficient de dilatation des tubes métalliques 5, et une concentration volumique supérieure ou égale à 5 %.The invention relates to a heat exchanger 1 comprising: • metal tubes 5 parallel to each other and forming a bundle of tubes 7, in which a coolant is able to circulate, and • two collector plates 3, a collector plate 3 being arranged and brazed at each end of the bundle of tubes 7, characterized in that at least one of the collector plates 3 is made of a material comprising: • an aluminum or aluminum alloy matrix, and • inclusions of metal carbide in said matrix, said inclusions of metal carbide having a coefficient of expansion less than the expansion coefficient of the metal tubes 5, and a volume concentration greater than or equal to 5%.
Description
® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE® FRENCH REPUBLIC
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE © N° de publication : 3 060 109 (à n’utiliser que pour les commandes de reproduction)NATIONAL INSTITUTE OF INDUSTRIAL PROPERTY © Publication number: 3,060,109 (to be used only for reproduction orders)
©) N° d’enregistrement national : 16 62209©) National registration number: 16 62209
COURBEVOIE © Int Cl8 : F28 F 21/04 (2017.01), F28 F 9/02COURBEVOIE © Int Cl 8 : F28 F 21/04 (2017.01), F28 F 9/02
DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1A1 PATENT APPLICATION
ECHANGEUR DE CHALEUR AVEC UNE PLAQUE COLLECTRICE EN ALLIAGE D'ALUMINIUM ET DE CARBURE METALLIQUE.HEAT EXCHANGER WITH A COLLECTING PLATE OF ALLOY OF ALUMINUM AND METAL CARBIDE.
FR 3 060 109 - A1 (3/) L'invention concerne un échangeur de chaleur 1 comportant:FR 3 060 109 - A1 (3 /) The invention relates to a heat exchanger 1 comprising:
des tubes métalliques 5 parallèles les uns avec les autres et formant un faisceau de tubes 7, dans lesquels un fluide caloporteur est apte à circuler, et deux plaques collectrices 3, une plaque collectrice 3 étant disposée et brasée à chaque extrémité du faisceau de tubes 7, caractérisé en ce qu'au moins une des plaques collectrices 3 est réalisée dans un matériau comprenant:metal tubes 5 parallel to each other and forming a bundle of tubes 7, in which a heat transfer fluid is able to circulate, and two collector plates 3, a collector plate 3 being arranged and brazed at each end of the bundle of tubes 7 , characterized in that at least one of the collector plates 3 is made of a material comprising:
une matrice d'aluminium ou d'alliage d'aluminium, et des inclusions de carbure métallique dans ladite matrice, lesdites inclusions de carbure métallique présentant un coefficient de dilatation inférieur au coefficient de dilatation des tubes métalliques 5, et une concentration volumique supérieure ou égale à 5 %.an aluminum or aluminum alloy matrix, and metal carbide inclusions in said matrix, said metal carbide inclusions having a coefficient of expansion lower than the coefficient of expansion of metal tubes 5, and a volume concentration greater than or equal at 5 %.
Échangeur de chaleur avec une plaque collectrice en alliage d'aluminium et de carbure métalliqueHeat exchanger with a collector plate made of aluminum alloy and metal carbide
L'invention concerne le domaine des échangeurs de chaleur et plus précisément le domaine des échangeurs de chaleur brasés.The invention relates to the field of heat exchangers and more specifically the field of brazed heat exchangers.
Les échangeurs de chaleur brasés comportent généralement des tubes, parallèles les uns avec les autres, formant un faisceau de tubes. Les différents tubes composant le faisceau de tubes sont généralement séparés par des intercalaires. Les extrémités du faisceau de tubes sont reliées à des collecteurs formés notamment d'une plaque collectrice munie de trous dans lesquels débouchent les extrémités des tubes qui sont brasées sur la plaque collectrice. La plaque collectrice est recouverte d'une boîte à eau de sorte à former le collecteur. Les collecteurs permettent la distribution ou la récupération d'un premier fluide caloporteur qui passe à l’intérieur des tubes. Un deuxième fluide caloporteur passe quant à lui entre les tubes.Brazed heat exchangers generally include tubes, parallel to each other, forming a bundle of tubes. The different tubes making up the tube bundle are generally separated by spacers. The ends of the tube bundle are connected to manifolds formed in particular by a collecting plate provided with holes into which the ends of the tubes open which are brazed to the collecting plate. The collecting plate is covered with a water box so as to form the collector. The collectors allow the distribution or recovery of a first heat transfer fluid which passes inside the tubes. A second heat transfer fluid passes between the tubes.
Par échangeur de chaleur brasé, on entend que les différents éléments formant l'échangeur sont fixés entre eux par brasage.By brazed heat exchanger is meant that the different elements forming the exchanger are fixed together by brazing.
Les liaisons des extrémités de tube, aussi appelées pieds de tubes, avec la plaque collectrice sont soumises à des chocs thermiques importants (exposition à des différences de températures importantes en cours de fonctionnement]. Ces chocs thermiques peuvent provoquer des ruptures, généralement au niveau des brasures de liaison, ou encore des fissurations des extrémités de tubes au niveau de la plaque collectrice du fait de la dilatation de la plaque collectrice sous l'effet du choc thermique. Cette dilatation de la plaque collectrice aura tendance à faire subir un effort de traction aux extrémités des tubes brasés. Cette force de traction peut provoquer des fissurations au niveau de cette zone, lesquelles fissurations peuvent ensuite entraîner des fuites. Par ailleurs, cette traction de la plaque collectrice peut endommager les brasures de liaison entre les tubes et la plaque collectrice. Les brasures peuvent rompre sous l'effet de cette force. Dans ce cas, l'étanchéité de la liaison du tube avec la plaque collectrice n'est plus assurée.The connections of the tube ends, also called tube feet, with the collector plate are subjected to significant thermal shocks (exposure to significant temperature differences during operation]. These thermal shocks can cause ruptures, generally at the level of the solder joints, or cracking of the tube ends at the collector plate due to the expansion of the collector plate under the effect of thermal shock. This expansion of the collector plate will tend to be subjected to a tensile force at the ends of the brazed tubes. This tensile force can cause cracking in this area, which cracking can then lead to leakage. Furthermore, this traction of the collector plate can damage the brazing joints between the tubes and the collector plate The solder can break under the force of this force. ity of the connection of the tube with the collector plate is no longer ensured.
On connaît du document EP 2871437 un échangeur de chaleur composé de deux collecteurs superposés permettant un renforcement de la liaison tube/collecteur au niveau des extrémités des tubes.Document EP 2871437 discloses a heat exchanger composed of two superimposed collectors allowing a reinforcement of the tube / collector connection at the ends of the tubes.
Cependant, l'ajout d'un deuxième collecteur entraîne une augmentation importante de la distance entre le collecteur et les intercalaires, ce qui diminue les performances de l'échangeur de chaleur. Par ailleurs, l'ajout d'un deuxième collecteur entraîne une augmentation des coûts de fabrication d'un tel échangeur de chaleur car les besoins en matière première se trouvent considérablement augmentés.However, the addition of a second manifold results in a significant increase in the distance between the manifold and the spacers, which decreases the performance of the heat exchanger. Furthermore, the addition of a second collector leads to an increase in the manufacturing costs of such a heat exchanger because the requirements for raw materials are considerably increased.
On connaît également du document KR 20150070772 un échangeur de chaleur présentant des inserts de type « clips » intégrés dans les tubes présentant les plus fortes contraintes liées à la dilatation sous l'effet des chocs thermiques. Ces inserts permettent de renforcer la liaison tube/collecteur par le biais d'une augmentation de l'épaisseur de matière dans la zone considérée.Also known from document KR 20150070772 is a heat exchanger having “clip” type inserts integrated into the tubes having the greatest stresses linked to expansion under the effect of thermal shocks. These inserts make it possible to reinforce the tube / collector connection by means of an increase in the thickness of material in the zone considered.
Cependant, la fabrication d'un tel échangeur de chaleur nécessite une modification du procédé de fabrication afin de permettre l'intégration des inserts. Par ailleurs, la fabrication d'un tel échangeur de chaleur est également plus onéreuse car elle implique une augmentation des quantités de matière première nécessaires pour la fabrication d'un tel échangeur de chaleur. De plus, les inserts ne sont pas présents dans tous les tubes, ainsi il n'est pas certain que l'ensemble des tubes composant le faisceau de tubes se retrouvent protégés des chocs thermiques grâce à l'insertion de tels inserts. Par ailleurs, il sera nécessaire d'adapter les procédés de fabrication pour adapter le nombre d'inserts selon la taille de l'échangeur de chaleur, et également pour disposer les inserts à l'intérieur des tubes.However, the manufacture of such a heat exchanger requires a modification of the manufacturing process in order to allow the integration of the inserts. Furthermore, the manufacture of such a heat exchanger is also more expensive since it involves an increase in the quantities of raw material necessary for the manufacture of such a heat exchanger. In addition, the inserts are not present in all the tubes, so it is not certain that all of the tubes making up the bundle of tubes are protected from thermal shock by the insertion of such inserts. Furthermore, it will be necessary to adapt the manufacturing methods to adapt the number of inserts according to the size of the heat exchanger, and also to arrange the inserts inside the tubes.
Un des objectifs de la présente invention est de pallier au moins partiellement aux problèmes de l'art antérieur en proposant un échangeur de chaleur brasé présentant des brasures entre les extrémités des tubes du faisceau et la plaque collectrice qui sont moins sensibles à la dilatation liée aux chocs thermiques que les échangeurs de chaleur de l'art antérieur.One of the objectives of the present invention is to at least partially overcome the problems of the prior art by proposing a brazed heat exchanger having brazings between the ends of the bundle tubes and the collector plate which are less sensitive to the expansion linked to thermal shocks than the heat exchangers of the prior art.
Un autre objectif de la présente invention est de proposer un échangeur de chaleur brasé présentant un risque limité de fissuration des extrémités des tubes à cause de la dilatation de la plaque collectrice liée aux chocs thermiques.Another objective of the present invention is to propose a brazed heat exchanger presenting a limited risk of cracking of the ends of the tubes due to the expansion of the collector plate linked to thermal shocks.
Un autre objectif de la présente invention est de proposer un échangeur de chaleur brasé moins sensible aux phénomènes de dilatation liés aux chocs thermiques qui ne nécessite pas d'adaptation du procédé de fabrication de l'échangeur de chaleur.Another object of the present invention is to provide a brazed heat exchanger less sensitive to the phenomena of expansion linked to thermal shocks which does not require adaptation of the manufacturing process of the heat exchanger.
Un autre objectif de l'invention est de proposer un échangeur de chaleur qui ne nécessite pas d'ajout de matière, et donc d'augmentation des coûts de fabrication, pour augmenter sa résistance à la dilatation liée aux chocs thermiques.Another object of the invention is to provide a heat exchanger which does not require the addition of material, and therefore an increase in manufacturing costs, in order to increase its resistance to expansion linked to thermal shocks.
A cet effet, l'invention a pour objet un échangeur de chaleur comportant :To this end, the subject of the invention is a heat exchanger comprising:
• des tubes métalliques parallèles les uns avec les autres et formant un faisceau de tubes, dans lesquels un fluide caloporteur est apte à circuler, et • deux plaques collectrices, une plaque collectrice étant disposée et brasée à chaque extrémité du faisceau de tubes, avec au moins une des plaques collectrices est réalisée dans un matériau comprenant :• metal tubes parallel to each other and forming a bundle of tubes, in which a heat transfer fluid is able to circulate, and • two collector plates, a collector plate being arranged and brazed at each end of the bundle of tubes, with at at least one of the collector plates is made of a material comprising:
• une matrice d'aluminium ou d'alliage d'aluminium, et • des inclusions de carbure métallique dans ladite matrice, lesdites inclusions de carbure métallique présentant un coefficient de dilatation inférieur au coefficient de dilatation des tubes métalliques, et une concentration volumique supérieure ou égale à 5 %.• an aluminum or aluminum alloy matrix, and • metal carbide inclusions in said matrix, said metal carbide inclusions having a coefficient of expansion lower than the coefficient of expansion of metal tubes, and a higher volume concentration or equal to 5%.
La présence d'inclusions de carbure métallique dans la plaque collectrice permet de diminuer le coefficient de dilatation de celle-ci sous l'effet des chocs thermiques. Ainsi, cette plaque est moins sujette à se déformer, ce qui permet de diminuer les forces de traction subies par les brasures ainsi que par les extrémités des tubes. La présence de carbure métallique dans la plaque collectrice permet donc d'augmenter la résistance aux chocs thermiques d'un tel échangeur de chaleur.The presence of metallic carbide inclusions in the collector plate makes it possible to reduce the coefficient of expansion of the latter under the effect of thermal shocks. Thus, this plate is less prone to deformation, which makes it possible to reduce the tensile forces undergone by the solderings as well as by the ends of the tubes. The presence of metal carbide in the collector plate therefore makes it possible to increase the resistance to thermal shocks of such a heat exchanger.
Par ailleurs, la présence de carbure métallique dans la matrice d'aluminium de la plaque collectrice permet de conserver l'architecture de celle-ci et donc de l'échangeur de chaleur. Le procédé de fabrication d'un tel échangeur reste donc également inchangé et n'entraîne donc pas d'augmentation de coûts.Furthermore, the presence of metal carbide in the aluminum matrix of the collector plate makes it possible to preserve the architecture of the latter and therefore of the heat exchanger. The manufacturing process of such an exchanger therefore also remains unchanged and therefore does not lead to an increase in costs.
De plus, le fait de conserver la même architecture permet d'avoir un échangeur de chaleur dont la masse reste similaire aux échangeurs de chaleur existants.In addition, keeping the same architecture makes it possible to have a heat exchanger whose mass remains similar to existing heat exchangers.
L'échangeur de chaleur peut en outre comporter l'une des caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison :The heat exchanger may also include one of the following characteristics, taken alone or in combination:
Les inclusions de carbure métallique présentent une taille moyenne comprise entre 5 pm et 50 pm, de préférence comprise entre 15 pm et 35 pm.The metal carbide inclusions have an average size of between 5 µm and 50 µm, preferably between 15 µm and 35 µm.
Le coefficient de dilatation de la plaque collectrice réalisée dans un matériau comprenant les inclusions de carbure métallique est inférieur d'au moins 10 % au coefficient de dilatation des tubes métalliques.The expansion coefficient of the collector plate made of a material comprising the metal carbide inclusions is at least 10% lower than the expansion coefficient of the metal tubes.
L'échangeur de chaleur comprend au moins une boîte brasée sur au moins une plaque collectrice, ladite boîte étant réalisée dans un matériau identique à la plaque collectrice sur laquelle ladite boîte est brasée.The heat exchanger comprises at least one box brazed on at least one header plate, said box being made of a material identical to the header plate on which said box is brazed.
Le carbure métallique est du carbure de silicium.Metal carbide is silicon carbide.
La matrice présente une concentration pour les inclusions de carbure de silicium comprise entre 10 % et 60 % en volume.The matrix has a concentration for inclusions of silicon carbide of between 10% and 60% by volume.
Les tubes métalliques sont composés d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium.The metal tubes are made of aluminum or an aluminum alloy.
Selon une variante, seule la plaque collectrice en contact avec le fluide caloporteur avant qu’il ne s’écoule à travers les tubes de l'échangeur de chaleur (plaque collectrice qui est donc au contact du fluide caloporteur le plus chaud, en amont de son écoulement dans les tubes pour être refroidi) est réalisée dans un matériau comprenant des inclusions de carbure métallique.Alternatively, only the header plate in contact with the heat transfer fluid before it flows through the tubes of the heat exchanger (header plate which is therefore in contact with the hottest heat transfer fluid, upstream of its flow in the tubes to be cooled) is made of a material comprising inclusions of metal carbide.
Selon une autre variante, les deux plaques collectrices de l'échangeur de chaleur sont réalisées dans un matériau comprenant des inclusions de carbure métallique.According to another variant, the two collector plates of the heat exchanger are made of a material comprising inclusions of metallic carbide.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et les dessins annexés dans lesquels :Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading the following description, given by way of illustrative and nonlimiting example, and the appended drawings in which:
- la figure 1 est une vue schématique de l'échangeur de chaleur présentant une boîte brasée sur chacune des plaques collectrices,FIG. 1 is a schematic view of the heat exchanger having a box brazed on each of the manifold plates,
- la figure 2 est une représentation schématique de la matrice d'aluminium comprenant des inclusions de carbure métallique,FIG. 2 is a schematic representation of the aluminum matrix comprising inclusions of metallic carbide,
- la figure 3 est un graphique représentant l'évolution du coefficient de dilatation thermique de la matrice d'aluminium comprenant des inclusions de carbure de silicium en fonction de la concentration volumique en carbure de silicium dans cette matrice.- Figure 3 is a graph showing the evolution of the coefficient of thermal expansion of the aluminum matrix comprising inclusions of silicon carbide as a function of the volume concentration of silicon carbide in this matrix.
Sur ces figures, les éléments identiques portent les mêmes références numériques.In these figures, identical elements have the same reference numerals.
Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées ou interchangées pour fournir d'autres réalisations.The following embodiments are examples. Although the description refers to one or more embodiments, this does not necessarily mean that each reference relates to the same embodiment, or that the characteristics apply only to a single embodiment. Simple features of different embodiments can also be combined or interchanged to provide other embodiments.
Dans la description suivante, il est fait référence à un premier fluide caloporteur et à un second fluide caloporteur, ou encore à une première plaque collectrice et à une seconde plaque collectrice. Il s’agit d’un simple indexage pour différencier et dénommer des éléments proches mais non identiques. Cette indexation n’implique pas une priorité d’un élément par rapport à un autre et on peut aisément interchanger de telles dénominations sans sortir du cadre de la présente description. Cette indexation n’implique pas non plus un ordre dans le temps.In the following description, reference is made to a first heat transfer fluid and to a second heat transfer fluid, or else to a first collecting plate and to a second collecting plate. This is simple indexing to differentiate and name similar but not identical elements. This indexing does not imply a priority of one element over another and one can easily interchange such names without departing from the scope of this description. This indexing does not imply an order in time either.
En référence à la figure 1, l'échangeur de chaleur 1 comporte des tubes métalliques 5, deux plaques collectrices 3 de part et d'autre des tubes métalliques 5, des intercalaires 10, et au moins une boîte 9 permettant notamment l'entrée et la sortie d'un premier fluide caloporteur dans l'échangeur de chaleur 1, comme par exemple du liquide de refroidissement.With reference to FIG. 1, the heat exchanger 1 comprises metal tubes 5, two collector plates 3 on either side of the metal tubes 5, spacers 10, and at least one box 9 allowing in particular the entry and the output of a first heat transfer fluid in the heat exchanger 1, such as for example coolant.
Les tubes métalliques 5 sont disposés de manière parallèle les uns avec les autres et forment un faisceau de tubes 7. Les tubes métalliques 5 peuvent être composés d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium. Par ailleurs, les tubes métalliques 5 sont configurés pour permettre la circulation en leur sein du premier fluide caloporteur.The metal tubes 5 are arranged in parallel with one another and form a bundle of tubes 7. The metal tubes 5 can be made of aluminum or an aluminum alloy. Furthermore, the metal tubes 5 are configured to allow the circulation within them of the first heat transfer fluid.
Un deuxième fluide caloporteur, par exemple de l'air, est destiné à circuler entre les tubes métalliques 5. Des intercalaires 10 peuvent être disposés entre les tubes métalliques 5 du faisceau de tubes 7. Ces intercalaires ont pour objectif de perturber le flux du deuxième fluide caloporteur et également d'augmenter la surface d'échange entre les premier et deuxième fluides caloporteurs. Les intercalaires 10 sont de préférence réalisés dans le même matériau que les tubes métalliques 5 et sont brasés avec ces tubes.A second heat transfer fluid, for example air, is intended to circulate between the metal tubes 5. Dividers 10 can be arranged between the metal tubes 5 of the bundle of tubes 7. The purpose of these dividers is to disturb the flow of the second heat transfer fluid and also to increase the exchange surface between the first and second heat transfer fluids. The spacers 10 are preferably made of the same material as the metal tubes 5 and are brazed with these tubes.
En référence aux figures 1 et 2, une plaque collectrice 3 est disposée et brasée à chaque extrémité du faisceau de tubes 7. Au moins une des plaques collectrices 3 est réalisée dans un matériau comprenant :With reference to FIGS. 1 and 2, a collecting plate 3 is arranged and brazed at each end of the bundle of tubes 7. At least one of the collecting plates 3 is made of a material comprising:
• une matrice 11 d'aluminium ou d'alliage d'aluminium, et • des inclusions 13 de carbure métallique dans ladite matrice 11, lesdites inclusions 13 de carbure métallique présentant un coefficient de dilatation inférieur au coefficient de dilatation des tubes métalliques 5, et une concentration volumique supérieure ou égale à 5 %.• a matrix 11 of aluminum or aluminum alloy, and • inclusions 13 of metal carbide in said matrix 11, said inclusions 13 of metal carbide having a coefficient of expansion lower than the coefficient of expansion of metal tubes 5, and a volume concentration greater than or equal to 5%.
La plaque collectrice 3 comprenant des inclusions 13 de carbure métallique présente un coefficient de dilatation plus faible que les plaques collectrices 3 réalisées en aluminium ou en un alliage d'aluminium sans inclusions 13 de carbure métallique. Lorsqu'une plaque collectrice 3 comprenant des inclusions 13 subit des chocs thermiques, la déformation associée à la dilatation de celle-ci est moins importante que celle subie par une plaque collectrice 3 composée uniquement d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium. Ainsi, les efforts de traction que les tubes métalliques 5 subissent, notamment au niveau de leurs extrémités sont plus faibles. Les tubes métalliques 5 composant le faisceau de tubes 7 présentent donc un risque de fissuration moindre car ils subissent une force de traction plus faible.The collector plate 3 comprising inclusions 13 of metal carbide has a lower coefficient of expansion than the collector plates 3 made of aluminum or an aluminum alloy without inclusions 13 of metal carbide. When a collector plate 3 comprising inclusions 13 undergoes thermal shocks, the deformation associated with the expansion thereof is less significant than that undergone by a collector plate 3 composed solely of aluminum or an aluminum alloy. Thus, the tensile stresses that the metal tubes 5 undergo, in particular at their ends are lower. The metal tubes 5 making up the bundle of tubes 7 therefore present a lower risk of cracking because they undergo a lower tensile force.
Par ailleurs, l'utilisation de carbure métallique permet également d'obtenir une meilleure résistance des brasures liant la plaque collectrice 3 aux tubes métalliques 5 car elles subissent également des contraintes de traction plus faibles que les brasures des échangeurs de chaleur 1 présentant des plaques collectrices 3 constituées uniquement d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium sans inclusions 13 de carbure métallique. Une concentration volumique supérieure ou égale à 5 % en carbure métallique permet notamment une diminution du coefficient de dilatation suffisante pour que les efforts de traction sur les tubes métalliques 5 soient plus faibles.Furthermore, the use of metal carbide also makes it possible to obtain better resistance of the brazings connecting the collecting plate 3 to the metal tubes 5 since they also undergo lower tensile stresses than the brazing of the heat exchangers 1 having collecting plates 3 consist only of aluminum or an aluminum alloy without inclusions 13 of metal carbide. A volume concentration greater than or equal to 5% in metal carbide allows in particular a reduction in the coefficient of expansion sufficient for the tensile forces on the metal tubes 5 to be lower.
Le coefficient de dilatation de la plaque collectrice 3 réalisée dans un matériau comprenant les inclusions 13 de carbure métallique est inférieur d'au moins 10 % au coefficient de dilatation des tubes métalliques 5. Ainsi, la plaque collectrice 3 se déformera moins que les tubes métalliques 5 lors de chocs thermiques. Ainsi, l'amélioration de la longévité des tubes métalliques 5, pour les efforts de traction sur lesdits tubes métalliques 5, des brasures, qui sont moins étirées, et donc de l'échangeur de chaleur 1 est possible.The expansion coefficient of the collector plate 3 made of a material comprising the inclusions 13 of metal carbide is at least 10% lower than the expansion coefficient of the metal tubes 5. Thus, the collector plate 3 will deform less than the metal tubes 5 during thermal shock. Thus, the improvement of the longevity of the metal tubes 5, for the tensile forces on the said metal tubes 5, of the solders, which are less stretched, and therefore of the heat exchanger 1 is possible.
Selon le mode de réalisation de la figure 1, l'échangeur de chaleur 1 comprend deux boîtes 9 brasées sur chaque plaque collectrice 3 de l'échangeur de chaleur 1. Ces boîtes 9 permettent la circulation du premier fluide caloporteur dans l'échangeur de chaleur 1. Selon ce mode de réalisation particulier, la boîte 9 est réalisée dans un matériau identique à celui de la plaque collectrice 3 sur laquelle la boîte 9 est brasée, c'est-à-dire en un matériau comprenant des inclusions 13 de carbure métallique dans la matrice 11 d'aluminium ou d'alliage d'aluminium composant cette boîte 9.According to the embodiment of Figure 1, the heat exchanger 1 comprises two boxes 9 brazed on each header plate 3 of the heat exchanger 1. These boxes 9 allow the circulation of the first heat transfer fluid in the heat exchanger 1. According to this particular embodiment, the box 9 is made of a material identical to that of the collector plate 3 on which the box 9 is brazed, that is to say a material comprising inclusions 13 of metal carbide in the matrix 11 of aluminum or aluminum alloy composing this box 9.
En référence à la figure 2 qui est une représentation schématique de la matrice 11 d'aluminium ou d'alliage d'aluminium comprenant des inclusions 13 de carbure métallique, ces inclusions 13 présentent une taille moyenne comprise entre 5 pm et 50 pm. Selon un mode de réalisation préféré, les inclusions 13 présentent une taille comprise entre 15 pm et 35 pm. Avantageusement, l'utilisation d'inclusions 13 présentant une taille comprise entre 15 pm et 35 pm permet d'obtenir une répartition homogène de celles-ci et contribue à l'obtention d'un brasage de bonne qualité sans avoir à adapter le procédé de ce dernier.Referring to Figure 2 which is a schematic representation of the matrix 11 of aluminum or aluminum alloy comprising inclusions 13 of metal carbide, these inclusions 13 have an average size of between 5 μm and 50 μm. According to a preferred embodiment, the inclusions 13 have a size of between 15 μm and 35 μm. Advantageously, the use of inclusions 13 having a size of between 15 μm and 35 μm makes it possible to obtain a homogeneous distribution of these and contributes to obtaining good quality brazing without having to adapt the method of this last.
Selon le mode de réalisation particulier de la figure 1 lorsque la plaque collectrice 3 présente la matrice 11 de la figure 2, les inclusions 13 ne présentent pas de forme spécifique.According to the particular embodiment of Figure 1 when the collector plate 3 has the matrix 11 of Figure 2, the inclusions 13 do not have a specific shape.
Selon un autre mode de réalisation non-représenté ici, les inclusions 13 peuvent avoir une forme particulaire comme une forme sphérique ou cylindrique par exemple. Des inclusions sous forme particulaire sont simples à mettre en œuvre, elles ne requièrent pas de compliquer le procédé d’obtention avec des traitements particuliers.According to another embodiment not shown here, the inclusions 13 can have a particulate shape such as a spherical or cylindrical shape for example. Particulate inclusions are simple to implement, they do not require complicating the process of obtaining with particular treatments.
Selon un mode de réalisation particulier, le carbure métallique utilisé pour les inclusions 13 dans la matrice 11 peut être du carbure de silicium (SiC). Cet alliage comprenant de l'aluminium et du carbure de silicium présente un faible coefficient de dilatation, par rapport aux alliages d'aluminium utilisés classiquement pour la réalisation de plaques collectrices 3, ce qui en fait un bon candidat pour la résistance aux chocs thermiques des plaques collectrices 3 de l'échangeur de chaleur 1.According to a particular embodiment, the metal carbide used for the inclusions 13 in the matrix 11 can be silicon carbide (SiC). This alloy comprising aluminum and silicon carbide has a low coefficient of expansion, compared to the aluminum alloys conventionally used for the production of collector plates 3, which makes it a good candidate for the resistance to thermal shocks of header plates 3 of the heat exchanger 1.
D'autre part, la conductivité thermique du carbure de silicium est assez proche de celle de l'aluminium, ce qui permet d'obtenir un échangeur de chaleur 1 présentant des performances proches de celles d'un échangeur uniquement composé d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium.On the other hand, the thermal conductivity of silicon carbide is quite close to that of aluminum, which makes it possible to obtain a heat exchanger 1 having performances close to those of an exchanger solely composed of aluminum or d '' an aluminum alloy.
Le carbure de silicium présente également des propriétés mécaniques proches de celles de l'aluminium. Cela permet d'utiliser le même procédé de brasage que celui utilisé pour la fabrication d'un échangeur de chaleur 1 ne comportant pas d'inclusions 13 de carbure de silicium dans sa matrice 11 d'aluminium ou d'alliage d'aluminium. Ainsi, il n'est pas nécessaire d'adapter le procédé de fabrication en utilisant cet alliage comportant des inclusions 13 de carbure métallique, et notamment de carbure de silicium, ce qui permet un maintien des coûts de production de tels échangeurs de chaleur 1.Silicon carbide also has mechanical properties close to those of aluminum. This allows the same brazing process to be used as that used for the manufacture of a heat exchanger 1 not having inclusions 13 of silicon carbide in its matrix 11 of aluminum or aluminum alloy. Thus, it is not necessary to adapt the manufacturing process using this alloy comprising inclusions 13 of metal carbide, and in particular silicon carbide, which allows maintenance of the production costs of such heat exchangers 1.
Selon un mode de réalisation particulier non représenté ici, seule la plaque collectrice en contact avec le fluide caloporteur avant qu’il ne s’écoule à travers les tubes de l'échangeur de chaleur (plaque collectrice au contact du fluide caloporteur le plus chaud, en amont de son écoulement dans les tubes pour être refroidi) est réalisée dans un matériau comprenant des inclusions 13 de carbure métallique. Selon ce mode de réalisation particulier, la seconde plaque collectrice 3 de l'échangeur de chaleur 1 est constituée d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium, généralement identique à celui des tubes métalliques 5. En effet, la plaque collectrice 3 située à l’entrée de l’échangeur thermique vis-à-vis du sens d’écoulement du fluide caloporteur au sein de l’échanguer, subit les chocs thermiques les plus importants. Ainsi, il est nécessaire de limiter la dilatation de cette plaque collectrice 3 liée à ces chocs thermiques de manière à prévenir l'apparition de fissures au niveau des extrémités des tubes métalliques 5 ou encore la rupture des brasures entre la plaque collectrice 3 et les tubes métalliques 5 du fait des forces de traction que ces éléments vont subir de manière intrinsèque au fonctionnement de l'échangeur de chaleur 1.According to a particular embodiment not shown here, only the collector plate in contact with the heat transfer fluid before it flows through the tubes of the heat exchanger (collector plate in contact with the hottest heat transfer fluid, upstream of its flow in the tubes to be cooled) is made of a material comprising inclusions 13 of metal carbide. According to this particular embodiment, the second collector plate 3 of the heat exchanger 1 is made of aluminum or an aluminum alloy, generally identical to that of the metal tubes 5. In fact, the collector plate 3 located at the inlet of the heat exchanger vis-à-vis the direction of flow of the heat transfer fluid within the exchanger, undergoes the most significant thermal shocks. Thus, it is necessary to limit the expansion of this collector plate 3 linked to these thermal shocks so as to prevent the appearance of cracks at the ends of the metal tubes 5 or even the breakage of the solders between the collector plate 3 and the tubes metallic 5 due to the tensile forces that these elements will intrinsically undergo during the operation of the heat exchanger 1.
Selon le mode de réalisation de la figure 1, les deux plaques collectrices 3 de l'échangeur de chaleur 1 sont réalisées dans un matériau comprenant des inclusions 13 de carbure métallique. Avantageusement, ce mode de réalisation permet de ne produire qu'un seul type de plaques collectrices 3 et donc de maintenir de bonnes cadences de production de l'échangeur de chaleur 1 sans avoir à identifier les plaques collectrices 3 comportant les inclusions 13 de carbure métallique des plaques collectrices 3 n'en comportant pas.According to the embodiment of Figure 1, the two header plates 3 of the heat exchanger 1 are made of a material comprising inclusions 13 of metal carbide. Advantageously, this embodiment makes it possible to produce only one type of collector plates 3 and therefore to maintain good production rates for the heat exchanger 1 without having to identify the collector plates 3 comprising the inclusions 13 of metal carbide manifold plates 3 not having one.
En référence à la figure 3 qui correspond à un graphique représentant une courbe 20 correspondant à l'évolution du coefficient de dilatation thermique de l'alliage en fonction de la concentration volumique en carbure de silicium. Selon la figure 3, la courbe 20 est une droite où le coefficient de dilatation thermique diminue avec l'augmentation de la concentration volumique de carbure de silicium dans l'alliage d'aluminium.With reference to FIG. 3 which corresponds to a graph representing a curve 20 corresponding to the change in the coefficient of thermal expansion of the alloy as a function of the volume concentration of silicon carbide. According to FIG. 3, the curve 20 is a straight line where the coefficient of thermal expansion decreases with the increase in the volume concentration of silicon carbide in the aluminum alloy.
Selon la figure 3, le coefficient de dilatation thermique de l'alliage d'aluminium utilisé classiquement dans la composition des tubes 5 et de la plaque collectrice 3 est d'environ 21 ppm/°C. Selon la figure 3, l'ajout de carbure de silicium permet de diminuer le coefficient de dilatation de l'alliage comprenant des inclusions 13 de manière linéaire selon la concentration volumique de carbure de silicium présente dans l'alliage. Par exemple, une concentration volumique de 10 % de carbure de silicium permet d'obtenir un alliage présentant un coefficient de dilatation thermique d'environ 18,75 ppm/°C, ce qui correspond à une réduction d'environ 10 % du coefficient de dilatation thermique de l'alliage comprenant des inclusions 13 de carbure de silicium par rapport au coefficient de dilatation thermique d'un alliage d'aluminium standard.According to FIG. 3, the coefficient of thermal expansion of the aluminum alloy conventionally used in the composition of the tubes 5 and of the collector plate 3 is approximately 21 ppm / ° C. According to FIG. 3, the addition of silicon carbide makes it possible to reduce the coefficient of expansion of the alloy comprising inclusions 13 in a linear fashion according to the volume concentration of silicon carbide present in the alloy. For example, a volume concentration of 10% of silicon carbide makes it possible to obtain an alloy having a coefficient of thermal expansion of approximately 18.75 ppm / ° C, which corresponds to a reduction of approximately 10% of the coefficient of thermal expansion of the alloy comprising inclusions 13 of silicon carbide relative to the coefficient of thermal expansion of a standard aluminum alloy.
Avantageusement, les inventeurs ont montré que lorsque la matrice 11 présente une concentration pour les inclusions 13 de carbure de silicium, comprise entre 10 % et 60 % en volume, le coefficient de dilatation de la plaque collectrice 3 est suffisamment laible pour limiter l'apparition de fissures au niveau des extrémités des tubes métalliques 5 ou encore la rupture des brasures entre les tubes métalliques 5 et la plaque collectrice 3. Les inventeurs ont aussi remarqué que lorsque la concentration en carbure de silicium est intérieure à 10 % en volume, le coefficient de dilatation de la plaque collectrice 3 reste trop élevé pour prévenir l'apparition de fissures au niveau des extrémités des tubes métalliques 5 ou la rupture des brasures entre la plaque collectrice 3 et les tubes métalliques 5. Par ailleurs, les inventeurs ont également remarqué que lorsque la concentration volumique en carbure de silicium est supérieure à 60 % en volume, le brasage entre les tubes métalliques 5 du laisceau de tubes 7 et la plaque collectrice 3 est plus difficile à réaliser.Advantageously, the inventors have shown that when the matrix 11 has a concentration for the inclusions 13 of silicon carbide, of between 10% and 60% by volume, the coefficient of expansion of the collector plate 3 is sufficiently low to limit the appearance cracks at the ends of the metal tubes 5 or the rupture of the solders between the metal tubes 5 and the collector plate 3. The inventors have also noticed that when the concentration of silicon carbide is within 10% by volume, the coefficient of expansion of the collector plate 3 remains too high to prevent the appearance of cracks at the ends of the metal tubes 5 or the rupture of the solders between the collector plate 3 and the metal tubes 5. Furthermore, the inventors have also noticed that when the volume concentration of silicon carbide is greater than 60% by volume, the brazing between the metal tubes 5 of the lai tube seal 7 and the collector plate 3 is more difficult to achieve.
Avantageusement, pour une concentration volumique comprise entre 10 % et 60 % des inclusions 13 de carbure de silicium, dans la matrice 11 de la plaque collectrice 3, la plaque collectrice 3 présente un coefficient de dilatation optimal pour son utilisation, notamment pour la réalisation d'un échangeur de chaleur ayant par exemple des tubes pliés à double canaux de circulation, dits en « B ». Plus précisément, lorsque la concentration volumique en carbure de silicium est de 10 %, le coefficient de dilatation de la plaque collectrice 3 est intérieur de 10 % par rapport au coefficient de dilatation des tubes métalliques 5, comme représenté sur la ligure 3. Cette diminution du coefficient de dilatation permet d'obtenir un coefficient de dilatation suffisamment diminué pour limiter les risques de fissuration des tubes métalliques 5 ou encore les risques de rupture des brasures au niveau des extrémités des tubes métalliques 5 et de la plaque collectrice 3.Advantageously, for a volume concentration of between 10% and 60% of the inclusions 13 of silicon carbide, in the matrix 11 of the collector plate 3, the collector plate 3 has an optimal coefficient of expansion for its use, in particular for the realization of 'a heat exchanger having for example bent tubes with double circulation channels, called "B". More specifically, when the volume concentration of silicon carbide is 10%, the coefficient of expansion of the collector plate 3 is within 10% relative to the coefficient of expansion of the metal tubes 5, as shown in Figure 3. This decrease the coefficient of expansion makes it possible to obtain a coefficient of expansion sufficiently reduced to limit the risks of cracking of the metal tubes 5 or else the risks of rupture of the solder at the ends of the metal tubes 5 and of the collector plate 3.
Selon un autre mode de réalisation non représenté ici, le carbure métallique peut être du carbure de nickel (NiC). Le carbure de nickel présente des caractéristiques proches de celles du carbure de silicium et donc des avantages similaires.According to another embodiment not shown here, the metal carbide can be nickel carbide (NiC). Nickel carbide has characteristics close to those of silicon carbide and therefore similar advantages.
Ces exemples de réalisation sont tournis à titre illustratil et non limitatil. En effet, il est tout à lait possible pour l'homme de l'art, sans sortir du cadre de l'invention, de remplacer le carbure de silicium par tout autre carbure métallique permettant de diminuer le coefficient de dilatation thermique de la plaque collectrice 3.These exemplary embodiments are turned by way of illustration and not limitation. Indeed, it is entirely possible for those skilled in the art, without departing from the scope of the invention, to replace the silicon carbide with any other metallic carbide making it possible to reduce the coefficient of thermal expansion of the collector plate 3.
Ainsi, la diminution de l'apparition de fissures au niveau des extrémités des 10 tubes métalliques 5 et la diminution des ruptures au niveau des brasures entre les plaques collectrices 3 et les tubes métalliques 5 d'un échangeur de chaleur 1 brasé, liée aux chocs thermiques, est possible grâce à la présence d'inclusion 13 de carbure métallique, et en particulier de carbure de silicium, dans la matrice 11 d'aluminium ou d'alliage d'aluminium composant les plaques collectrices 3 disposées de chaque côté du laisceau 7 de tubes métalliques 5. Ces inclusions 13 permettent de diminuer le coefficient de dilatation des plaques collectrices 3 et ainsi les forces de traction que les extrémités des tubes métalliques 5 ou les brasures subissent. Avantageusement, la présence d'inclusion 13 de carbure métallique dans la matrice 11 des plaques collectrices 3 permet de conserver les mêmes procédés de labrication et de brasage. De plus, la modification de l'alliage permet de conserver la même structure d'échangeur de chaleur 1 que ceux connus dans l'état de l'art, l'ajout de matière n'est donc pas nécessaire pour augmenter la résistance d'un tel échangeur de chaleur 1 aux chocs thermiques.Thus, the reduction in the appearance of cracks at the ends of the 10 metal tubes 5 and the reduction in ruptures at the level of the solders between the collector plates 3 and the metal tubes 5 of a brazed heat exchanger 1, linked to shocks thermal, is possible thanks to the presence of inclusion 13 of metal carbide, and in particular of silicon carbide, in the matrix 11 of aluminum or aluminum alloy composing the collecting plates 3 arranged on each side of the sheet 7 of metal tubes 5. These inclusions 13 make it possible to reduce the coefficient of expansion of the collector plates 3 and thus the tensile forces which the ends of the metal tubes 5 or the brazings undergo. Advantageously, the presence of inclusion 13 of metal carbide in the matrix 11 of the collector plates 3 makes it possible to keep the same processes of labrication and brazing. In addition, the modification of the alloy makes it possible to keep the same structure of heat exchanger 1 as those known in the state of the art, the addition of material is therefore not necessary to increase the resistance of such a heat exchanger 1 to thermal shock.
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