FR3069919B1 - Element intercalaire en alliage d'aluminium de fonderie pour un echangeur de chaleur - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un élément intercalaire (22) pour échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasés, ladite pièce intercalaire (22) étant configurée pour former, lorsqu'elle est agencée entre deux plaques (2) de l'échangeur, plusieurs canaux (26) pour l'écoulement d'un premier fluide (F1). Selon l'invention, ledit élément intercalaire (22) est une pièce de fonderie formée d'un premier alliage d'aluminium.

Description

La présente invention concerne un élément intercalaire pour un échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes, un échangeur de chaleur comprenant ledit élément, ainsi qu’un procédé de fabrication d’un tel échangeur.

La présente invention trouve notamment application dans le domaine de la séparation de gaz par cryogénie, en particulier de la séparation d’air par cryogénie (connue sous l’acronyme anglais « ASU » pour unité de séparation d’air) exploitée pour la production d’oxygène gazeux sous pression. En particulier, la présente invention peut s’appliquer à un échangeur de chaleur qui vaporise un débit liquide, par exemple de l’oxygène, de l’azote et/ou de l’argon par échange de chaleur avec un gaz.

La présente invention peut également s’appliquer à un échangeur de chaleur qui vaporise au moins un débit de mélange liquide-gaz, en particulier un débit de mélange à plusieurs constituants, par exemple un mélange d’hydrocarbures, par échange de chaleur avec au moins un autre fluide, par exemple du gaz naturel.

La technologie couramment utilisée pour un échangeur est celle des échangeurs en aluminium à plaques et à ailettes ou ondes brasés, qui permettent d’obtenir des dispositifs très compacts offrant une grande surface d’échange.

Ces échangeurs comprennent des plaques entre lesquelles sont insérées des structures d’échange thermique, généralement des structures ondulées ou ondes, formées d’une succession d’ailettes ou jambes d’onde, constituant ainsi un empilage de passages pour les différents fluides à mettre en relation d’échange thermique.

Ces passages comprennent des zones dites de distribution agencées, en suivant le sens d’écoulement du fluide dans le passage considéré, en amont et en aval de la zone d’échange thermique proprement dite. Les zones de distribution sont reliées fluidiquement à des collecteurs semi-tubulaires configurés pour distribuer les différents fluides sélectivement dans les différents passages, ainsi que pour évacuer lesdits fluides desdits passages.

De façon connue, ces zones de distribution comprennent des distributeurs qui assurent la déviation du fluide provenant du collecteur d’entrée de l’échangeur afin de le répartir sur la largeur des zones d’échange thermique, ainsi que la récupération du fluide provenant de ladite zone d’échange thermique. Ces distributeurs comprennent des tapis ou « pads » d’ondes de distribution, agencées sous forme de tôles ondulées entre deux plaques successives.

Les ondes de distribution sont généralement des ondes droites à géométrie en créneaux, mises en forme par presse, découpées en forme de triangles ou de trapèzes puis ébavurées. Elles sont ensuite assemblées par brasage aux plaques de l’échangeur.

Les ondes d’échange thermique et les ondes de distribution constituent également des éléments intercalaires qui, agencés entre des plaques successives, assurent la tenue mécanique de l’échangeur lors de son assemblage par brasage et de la circulation de fluides pressurisés au sein des passages.

Un des problèmes qui se posent avec la configuration des zones de distribution actuelles est la mal-distribution des fluides en direction des zones d’échange thermique.

Tout d’abord, les zones de distribution sont généralement occupées par au moins deux tapis d’ondes afin d’optimiser les chutes des découpes de forme, augmentant ainsi le risque de jeu entre les tapis. L’assemblage des tapis d’onde peut aussi occasionner des accidents le long de la voie d’écoulement du fluide, ce qui contribue à augmenter les pertes de charges des zones de distribution. Du fait de ces imperfections des zones de distribution, il peut se produire des variations de débit d’une amplitude de l’ordre de 10%, nuisibles au bon fonctionnement de l’échangeur. On observe le même type de défauts de distribution dans les zones de distributions dédiées à la récupération des fluides provenant des zones d’échange thermique.

En outre, les configurations classiques à base de tapis d’ondes droites ne sont pas optimales en termes d’encombrement et obligent à respecter des dimensions minimales pour la zone de distribution, notamment une longueur d’au moins 85 mm, pour distribuer correctement la fluide vers ou à partir de la zone d’échange thermique, sur toute la largeur de celle-ci.

Pour tenter de remédier à ces inconvénients, une solution est de développer de nouvelles géométries pour les zones de distribution, en particulier des zones présentant des canaux de distribution de forme plus complexe, à parois curvilignes et/ou à dimensions ou résistance hydraulique variables.

Toutefois, avec les techniques de mise en forme classiques, la géométrie des éléments de distribution est conditionnée par la forme des outils de presse à disposition, ce qui limite grandement le type de géométrie pouvant être fabriqué. Par ailleurs, l’usinage par commande numérique permet de fabriquer dans la masse des pièces de forme complexe mais les coûts de fabrication sont généralement trop élevés pour envisager une mise en œuvre au plan industriel. Les méthodes de fabrication additive par projection thermique ou par impression tridimensionnelle ne sont pas non plus idéales car nécessitant un équipement d’investissement coûteux ou mettant en œuvre des matériaux qui ne sont pas compatibles avec les procédés de brasage utilisés pour la fabrication des échangeurs de chaleur à plaques et ailettes.

La présente invention a pour but de résoudre en tout ou partie les problèmes mentionnés ci-avant, notamment de proposer un élément intercalaire pour échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasés, qui puisse revêtir des formes complexes, tout en conservant un coût de fabrication raisonnable et qui soit en outre formé d’un matériau compatible avec les procédés de brasage mis en œuvre lors de l’assemblage de l’échangeur.

La solution selon l’invention est alors un élément intercalaire pour échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasés, ledit élément intercalaire étant configurée pour former, lorsqu’il est agencé entre deux plaques de l’échangeur, plusieurs canaux pour l’écoulement d’un premier fluide, caractérisé en ce que ledit élément intercalaire est une pièce de fonderie formée d’un premier alliage d’aluminium comprenant, pour 100% de sa masse, au moins 80 % en masse d’aluminium.

Selon le cas, l’élément de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes : - ledit premier alliage d’aluminium comprend en outre un ou plusieurs composants choisis dans le groupe formé par le zinc, le manganèse, le nickel, le fer, le cobalt, le titane. - ledit premier alliage d’aluminium comprend de 84 à 99 % en masse d’aluminium, de préférence - ledit premier alliage d’aluminium comprend moins de 0,5% en masse de magnésium, de préférence moins de 0,3% en masse de magnésium. - ledit premier alliage d’aluminium comprend du fer et du cobalt. - ledit premier alliage d’aluminium comprend de 1 à 2% en masse de fer et de 1 à 3% en masse de cobalt. - ledit premier alliage d’aluminium comprend en outre : . au plus 0,3% en masse de silicium, . au plus 0,3% en masse de cuivre, . au plus 0,3% en masse de manganèse, . au plus 0,3% en masse de magnésium . au plus 0,3% en masse de zinc, . au plus 0,3% en masse de nickel, . au plus 0,5% en masse de titane. - ledit premier alliage d’aluminium comprend du zinc. - ledit premier alliage d’aluminium comprend de 5 à 9% en masse de zinc, de préférence de 7 à 8% en masse de zinc. - ledit premier alliage d’aluminium comprend en outre : . de 0,1 à 0,3% en masse de silicium, . de 0,4 à 1,5% en masse de fer, . de 0,4 à 1 % en masse de cuivre, . de 0,2 à 1% en masse de manganèse, . de 0,2 à 0,5% en masse de magnésium, . au plus 0,2% en masse de nickel, . au plus 0,5% en masse de titane, . au plus 0,4% en masse de chrome. - ledit premier alliage d’aluminium comprend du manganèse et du nickel. - ledit premier alliage d’aluminium comprend de 2 à 4% en masse de manganèse et de 2 à 4% en masse de nickel. - ledit premier alliage d’aluminium comprend en outre : . au plus 0,3 % en masse de silicium, . de 0,2 à 1 % en masse de fer, . au plus 0,3% en masse de cuivre, . au plus 0,3% en masse de magnésium, . au plus 0,3% en masse de zinc, . au plus 0,5% en masse de titane, . au plus 0,1% en masse de chrome. - ledit premier alliage d’aluminium comprend au moins 0,07% de titane, de préférence au moins 0,1% de titane, de préférence encore entre 0,2 et 0,3%.

En outre, l’invention a trait à un ensemble formé d’un élément intercalaire selon l’invention et d’une plaque formée d’un deuxième alliage d’aluminium, l’élément intercalaire et la plaque étant assemblés par brasage.

Selon un autre aspect, l’invention concerne un échangeur de chaleur de chaleur du type à plaques et ailettes brasés comprenant une pluralité de plaques agencées parallèlement entre elles de façon à définir des passages pour l’écoulement d’un premier fluide à mettre en relation d’échange thermique avec au moins un deuxième fluide, et au moins un élément intercalaire agencée entre deux plaques successives de façon à former au sein d’un passage plusieurs canaux pour l’écoulement dudit premier fluide, caractérisé en ce qu’il comprend un élément intercalaire ou un ensemble selon l’invention.

De préférence, un collecteur de fluide est agencé en amont et/ou en aval du passage, ledit passage comprenant une zone d’échange de chaleur configurée pour favoriser l’échange de chaleur entre les premier et deuxième fluides et une zone de distribution agencée entre le collecteur de fluide et la zone d’échange de chaleur, ledit élément intercalaire étant un élément de distribution agencé dans la zone de distribution de façon à canaliser le premier fluide entre le collecteur de fluide et la zone d’échange de chaleur.

En outre, l’invention concerne un procédé de fabrication d’un échangeur selon l’invention, caractérisé en ce qu’il comprend une étape d’agencement de l’élément intercalaire entre deux plaques successives et une étape de brasage dudit élément intercalaire avec les plaques.

De préférence, durant l’étape de brasage, au moins une partie de l’élément intercalaire est portée à une température supérieure à 500 °C, de préférence supérieure à 590 °C.

La présente invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux schémas ci-annexés, parmi lesquels : la Figure 1 est une vue schématique tridimensionnelle d’un échangeur du type à plaques et ailettes brasés ; la Figure 2 est une vue schématique partielle d’un élément intercalaire selon un mode de réalisation de l’invention assemblé à une plaque d’échangeur ; la Figure 3 illustre un exemple d’élément intercalaire selon l’invention ; les Figures 4A, 4B et 5 illustrent d’autres exemples d’éléments intercalaires selon l’invention.

Comme on le voit sur la Figure 1, un échangeur de chaleur 1 comprend un empilement de plaques 2 qui s’étendent suivant deux dimensions, longueur et largeur, respectivement suivant la direction longitudinale z et la direction transversale y. Les plaques 2 sont disposées parallèlement l’une au-dessus de l’autre avec espacement et forment ainsi plusieurs ensembles de passages 3, 4, 5 pour des fluides F1, F2, F3 à mettre en relation d’échange de chaleur indirect via les plaques 2. La direction transversale y est orthogonale à la direction longitudinale z et parallèle aux plaques 2. De préférence, l’axe longitudinal est vertical lorsque l’échangeur 1 est en fonctionnement.

De préférence, chaque passage a une forme parallélépipédique et plate. Les passages s’étendent en longueur suivant la direction longitudinale z et en largeur suivant la direction transversale y. L’écart entre deux plaques successives est petit devant la longueur et la largeur de chaque plaque successive.

Chaque passage 3, 4, 5 est divisé, suivant la direction longitudinale z, en au moins une zone de distribution 20 et une zone d’échange de chaleur 21. L’écoulement des fluides au sein des zones de distribution a lieu globalement suivant la direction longitudinale z. Les zones de distribution et d’échange de chaleur 20, 21 sont de préférence juxtaposées le long de l’axe longitudinal z.

Etant précisé que dans le cadre de la présente invention, l’écoulement des fluides n’a pas nécessairement lieu dans la même direction dans la zone de distribution 20 et dans la zone d’échange 21. Ainsi, la direction d’écoulement du fluide dans tout ou partie de la zone de distribution 20 pourra former un angle déterminé par rapport à la direction d’écoulement du fluide au niveau de la zone d’échange thermique 21. En particulier, un changement de direction d’écoulement d’environ 90° peut s’opérer entre la zone de distribution 20 et la zone d’échange 21.

Selon la représentation de la Figure 1, en considérant en particulier le passage 3 dont la partie interne est rendue visible, deux zones de distribution 20 sont agencées de part et d’autre de la zone d’échange de chaleur 21, l’une servant à amener le fluide F1 vers la zone d’échange de chaleur 21, l’autre à l’évacuer de ladite zone.

De façon connue en soi, l’échangeur 1 comprend des collecteurs de forme semi-tubulaire, ou têtes, 7, 9 munis d’ouvertures 10 pour l’introduction des fluides dans l’échangeur 1 et l’évacuation des fluides hors de l’échangeur 1. Ces collecteurs ou têtes présentent des ouvertures moins larges que les passages. Les zones de distribution 20 servent à répartir les fluides introduits par les ouvertures des collecteurs sur toute la largeur des passages ou bien à récupérer les fluides depuis lesdits passages.

Les zones de distribution 20 et d’échange de chaleur 21 sont pourvues d’éléments intercalaires 8 et 22 pouvant revêtir différentes formes. De façon classique, les éléments intercalaires ont des formes ondulées, comme montré sur la Figure 1. Dans ce cas, on appelle « ailettes » les jambes d’onde qui relient les sommets et les bases successifs de l’onde. Les éléments intercalaires 8 et/ou 22 peuvent revêtir d’autres formes particulières définies selon les caractéristiques d’écoulement de fluide souhaitées. De manière plus générale, le terme « ailettes » couvre des lames ou autres surfaces secondaires d’échange thermique, qui s’étendent depuis les surfaces primaires d’échange thermique, c’est-à-dire les plaques de l’échangeur, dans les passages de l’échangeur.

Les éléments intercalaires 8 ou 22 sont liés aux plaques 2 séparatrices par brasage. Avantageusement, la liaison est réalisée par brasage sous vide avec utilisation d’un métal d’apport 30, appelé brasure ou agent de brasage, l’assemblage étant obtenu par fusion et diffusion de la brasure 30 au sein des pièces à braser, c’est-à-dire dans le métal de base, sans fusion de celles-ci. Un tel assemblage est schématisé sur la Figure 2, dans laquelle un élément intercalaire 22 et une plaque 2 sont représentés partiellement.

Plus précisément, les plaques 2 sont de préférence des plaques colaminées comprenant une feuille centrale 40 dont chaque face est revêtue d’une feuille de brasure 30. Au cours du procédé de brasage, cette feuille de brasure 30 est fondue et permet d’obtenir, après refroidissement, la jonction des pièces 2 et 22.

Selon l’invention, on utilise en tant qu’élément intercalaire une pièce de fonderie formée d’un premier alliage d’aluminium comprenant pour 100% de sa masse, au moins 80 % en masse d’aluminium. En d’autres termes, l’élément intercalaire 22 est une pièce formée par coulée de l’alliage liquide dans un moule dont la forme intérieure reproduit la forme de pièce souhaitée.

La fabrication par fonderie permet de réaliser des pièces de géométries complexes, monolithiques, ce qui permet de minimiser les accidents le long des voies d’écoulement du fluide, et ce à un coût relativement faible comparé à d’autres techniques telles que la fabrication additive à l’heure actuelle.

De préférence, le procédé de fonderie utilisé est du type à moule perdu (moulage au sable) ou à moule permanent (moulage en coquille), les pièces réalisées par le moulage sous pression étant moins avantageuses en brasage sous vide du fait des phénomènes de dégazage inhérents au procédé (phénomène dit de « blister »). L’utilisation d’un alliage d’aluminium, c’est-à-dire un alliage dont le constituant principal est l'aluminium, est avantageuse en raison de sa faible densité, qui permet un gain de poids, associée à une bonne conduction thermique, une facilité de mise en oeuvre et une bonne résistance à la corrosion.

Avantageusement, le premier alliage d’aluminium comprend de 84 à 99 %, de préférence encore au moins 88%, avantageusement au moins 93% et de préférence au plus 97%, en masse d’aluminium (Al), et un ou plusieurs éléments d’alliage choisis dans le groupe formé par le zinc (Zn), le manganèse (Mn), le nickel (Ni), le fer (Fe), le cobalt (Co), le titane (Ti).

En effet, s’il est souhaitable de former l’élément intercalaire selon l’invention en un alliage d’aluminium dit « de fonderie », en tenant compte de son aptitude au moulage, notamment de facteurs propres à la fonderie tels que la coulabilité, la fluidité..., il a été constaté que l'alliage d'aluminium devait être choisi avec soin pour être aussi compatible avec les cycles de brasage mis en œuvre lors de la fabrication d’échangeur de chaleur. Typiquement, ces cycles de brasage sont de longue durée, de l’ordre d’une vingtaine d’heures, et les températures pics de cycle thermique peuvent atteindre 600 °C.

Or, de nombreux alliages d’aluminium de fonderie ont des températures de solidus et de liquidus inférieures à celles des alliages d’aluminium utilisés conventionnellement pour la fabrication des composants d’échangeurs de chaleur. Ainsi, certains alliages présentent des températures de fusion inférieures aux températures de brasage des échangeurs à plaques et ailettes du fait de la présence de silicium, utilisé pour abaisser les températures de solidus et liquidus et ainsi améliorer les propriétés de fonderie de l’alliage. De plus, certains alliages d’aluminium de fonderie peuvent s’avérer difficiles à braser sous vide du fait de poches de gaz piégées dans le métal solide et qui peuvent être expulsées lors du brasage à haute température, provoquant une dégradation de l’alliage de fonderie (phénomène dit de « blister »).

En outre, il a été remarqué que, même lorsque la température de solidus de l’alliage n’était pas atteinte lors du cycle de brasage, un maintien prolongé à haute température provoque des mécanismes de diffusion entre la brasure (ou agent de brasage) et le matériau à braser, ce qui conduit à la dissolution des pièces assemblées, en particulier les plus fines, et à la dégradation des performances mécaniques de l’assemblage.

Les inventeurs de la présente invention ont ainsi mis en évidence que l’aptitude au brasage d’un alliage d’aluminium pour fonderie pouvait être améliorée en contrôlant notamment la composition de l'alliage d'aluminium choisi, c'est-à-dire la teneur en les différents éléments d'alliage, en particulier celle en zinc, manganèse, nickel, fer, cobalt et/ou titane.

Dans la présente demande, les teneurs en les composants d’un alliage sont exprimées en pourcentage (%) pour 100% de la masse de cet alliage, i. e. en % en masse par rapport à la masse totale de l’alliage.

Selon un premier mode de réalisation de l’invention, le premier alliage d’aluminium comprend du fer et du cobalt. De préférence, le fer et le cobalt sont, après l’aluminium, les deux composants présents avec les plus grandes teneurs dans ledit premier alliage (alliage AlFeCo). Avantageusement, le premier alliage d’aluminium comprend de 0,7 à 2%, de préférence entre 1 et 1,5%, en masse de fer et de 1 à 3% en masse de cobalt, de préférence entre 1,45 et 1,75% en masse de cobalt.

Un tel premier alliage présente les avantages de présenter de bonnes propriétés de fonderie ainsi qu’une bonne tenue mécanique des pièces obtenues par fonderie. L’utilisation de fer en tant qu’élément d’alliage permet de conférer au premier alliage d’aluminium de bonne propriétés mécaniques, en particulier une limite d’élasticité et une résistance à la rupture adaptée à une utilisation dans un échangeur de chaleur sous pression. L’utilisation de cobalt permet d’augmenter les températures de liquidus et de solidus du premier alliage. On atteint ainsi des intervalles solidus liquidus, encore appelés « intervalles de solidifications » compatibles avec le procédé de brasage sous vide, tout en conférant au premier alliage des propriétés mécaniques adaptées à la réalisation de pièces de formes complexes sans défauts de fonderie. On améliore également la tenue mécanique de l’élément intercalaire 22, ce qui lui permet d’assurer efficacement sa fonction d’entretoise dans les passages de l’échangeur. En outre, ce type d’alliage présente l’avantage de ne pas être agressif pour les moules permanents et leur assure une durée de vie importante.

De préférence, ledit premier alliage d’aluminium comprend les teneurs susmentionnées en fer et cobalt et comprend en outre : - au plus 0,3%, de préférence au plus 0,15%, en masse de silicium (Si), - au plus 0,3%, de préférence au plus 0,1%, en masse de cuivre (Cu), - au plus 0,3%, de préférence au plus 0,1%, en masse de manganèse, - au plus 0,3%, de préférence au plus 0,1%, en masse de magnésium (Mg), - au plus 0,3%, de préférence au plus 0,1%, en masse de zinc, - au plus 0,3%, de préférence au plus 0,1%, en masse de nickel, - au plus 0,5%, de préférence au plus 0,3%, en masse de titane.

Selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, le premier alliage d’aluminium comprend du zinc. De préférence, le zinc est le composant présent, après l’aluminium, avec la plus grande teneur dans ledit premier alliage. Avantageusement, le premier alliage d’aluminium comprend de 5 à 9%, de préférence de 7 à 8%, en masse de zinc. Avantageusement, le premier alliage d’aluminium est un alliage de la famille 7XX (norme ASME SB-108 et SB-26, SECTION 2-B). Ce type d’alliage présente une aptitude moyenne à la fonderie et de bonnes propriétés mécaniques.

En particulier, ledit premier alliage peut être choisi parmi les alliages 712 ou 713. L’alliage 713 est une alternative avantageuse car il peut être coulé en moule sable ou en moule à coquille métallique, ce qui permet aussi bien la réalisation de prototypes que de pièces de série. L’utilisation de zinc en tant qu’élément d’alliage dans de telles teneurs favorise la maturation naturelle du premier alliage d’aluminium après un temps de repos donné, typiquement trois semaines. Ainsi, en laissant la pièce reposer à température ambiante, on améliore ainsi les propriétés mécaniques des pièces de fonderie sans qu’un traitement thermique ne soit requis.

De préférence, le premier alliage d’aluminium comprend les teneurs susmentionnées en zinc et comprend en outre : - de 0,1 à 0,3% en masse de silicium, - de 0,4 à 1,5% en masse de fer, - de 0,4 à 1 % en masse de cuivre, - de 0,2 à 1% en masse de manganèse, - de 0,2 à 0,5% en masse de magnésium, - au plus 0,2% en masse de nickel, - au plus 0,5% en masse de titane, - au plus 0,4% en masse de chrome (Cr).

Selon un troisième mode de réalisation, le premier alliage d’aluminium comprend du manganèse et du nickel. De préférence, le manganèse et le nickel sont les composants présents, après l’aluminium, avec les plus grandes teneurs dans ledit premier alliage (alliage AIMn2Ni2). . Avantageusement, le premier alliage d’aluminium comprend de 2 à 4%, de préférence de 1,5 à 2,5%, en masse de manganèse et de 2 à 4%, de préférence de 1,5 à 2,5%, en masse de nickel. L’utilisation de manganèse dans de telles teneurs permet de garantir de bonnes propriétés mécaniques à l’alliage sans pour autant abaisser de façon excessive les températures de solidus/liquidus. L’utilisation de nickel en tant qu’élément d’alliage dans de telles teneurs permet d’améliorer les propriétés mécaniques, notamment en termes de limite d’élasticité et de résistance à la rupture. On maximise ainsi la tenue mécanique de l’élément intercalaire 22, ce qui lui permet d’assurer efficacement sa fonction d’entretoise dans les passages de l’échangeur.

De préférence, le premier alliage d’aluminium comprend, outre les éléments manganèse et nickel dans les teneurs susmentionnées : - au plus 0,3 % en masse de silicium, - de 0,2 à 1 % en masse de fer, - au plus 0,3% en masse de cuivre, - au plus 0,3% en masse de magnésium, - au plus 0,3% en masse de zinc, - au plus 0,5% en masse de titane, - au plus 0,1 % en masse de chrome.

Dans le cadre de l’invention, le premier alliage d’aluminium comprend avantageusement au moins 0,07% de titane, de préférence au moins 0,1% de titane, de préférence encore entre 0,2 et 0,5% et avantageusement entre 0,2 et 0,3%. Le titane est utilisé comme agent affinant. II permet d’affiner la microstructure, c’est-à-dire de réduire la taille des grains, de l’élément intercalaire 22 coulé. II s’ensuit une meilleure usinabilité dudit élément 22 ce qui facilite les éventuelles reprises en usinage.

En particulier, les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence une amélioration remarquable de l’usinabilité résultant de la présence de titane dans la composition d’un premier alliage de type AlFeCo. A noter qu’en tant qu’élément affinant, on pourra également utiliser au moins un élément choisi parmi le titane (Ti), le strontium (Sr), le sodium (Na) et l’antimoine (Sb).

Le titane présente les avantages d’être plus simple à approvisionner et de présenter un coût moins élevé que d’autres éléments affinants. Son utilisation nécessite en outre moins de précaution en termes de sécurité.

De préférence, le premier alliage d’aluminium selon l’invention comprend moins de 0,5% en masse de magnésium, de préférence moins de 0,3% en masse de magnésium. Ceci permet d’éviter le cloquage dudit premier alliage, lié à la vaporisation du magnésium lors du brasage sous vide de l’alliage, qui fragiliserait l’assemblage brasé dans le cadre de l’invention.

En particulier, un premier alliage d’aluminium du type AlFeCo présente de préférence un intervalle de solidification de 670 - 654 °C. Un premier alliage d’aluminium du type 713 présente de préférence un intervalle de solidification de 638 - 593 °C. Un premier alliage d’aluminium du type AIMn2Ni2 présente de préférence un intervalle de solidification de 650 - 638 °C.

Etant précisé que la première température mentionnée pour l’intervalle de solidification correspond au liquidus de l’alliage et la deuxième température correspond au solidus de l’alliage. L’élément intercalaire 22 selon l’invention est avantageusement assemblé par brasage à au moins une plaque 2 adaptée pour définir, en association avec une autre plaque 2 parallèle, un passage 3 de l’échangeur.

Les plaques 2 de l’échangeur sont avantageusement formées d’un deuxième alliage d’aluminium de la famille 3XXX, de préférence du type 3003 (norme ASME SB-2019 SECTION 2-B).

Etant noté que les alliages d’aluminium de la série 3XXX présente un intervalle de solidification typique de 654 - 643 °C. On comprend alors l’intérêt d’un premier alliage selon l’invention qui permet d’avoir un intervalle de solidification présentant des valeurs du même ordre de grandeur, voire supérieures, à celles des alliages du type 3XXX. On tend ainsi à l’obtention de propriétés mécaniques comparables à celles des alliages d’aluminium utilisés habituellement dans les échangeurs à plaques. Les cycles de brasage ne dégradent pas le premier alliage d’aluminium et ainsi l’élément intercalaire 22 ne constitue pas un point fragile du point de vue mécanique dans la conception d’un échangeur à plaques brasé. L’élément intercalaire 22 et la plaque 2 sont de préférence brasés en four sous vide. Avantageusement, une brasure 30 formée d’un troisième alliage d’aluminium est agencée entre ou à proximité des pièces à assembler, celle-ci étant fondue pour obtenir, après refroidissement, la jonction des deux pièces. De préférence, la brasure 30 est un alliage du type 4XXX (norme ASME SB-2019 SECTION 2-B), en particulier du type 4004. Ce type de brasure présente les avantages d’être bien adapté au procédé de brasage sous vide. Le magnésium contenu dans la brasure permet de décaper l’alumine à la surface des pièces à braser et ainsi de produire des interfaces d’interdiffusion entre les matériaux à assembler.

De préférence, les plaques 2 sont des plaques colaminées comprenant une feuille centrale 40 en aluminium de la série 3XXX revêtue sur ses deux faces d’une feuille de brasure 30.

De préférence, un élément intercalaire selon l’invention est logé dans plusieurs, voire la totalité, des zones de distribution d’un ou plusieurs passages d’un échangeur de chaleur. Ledit élément s’étend sur la quasi-totalité, de préférence la totalité, de la hauteur des passages, mesurée suivant la direction verticale x, de manière à être en contact avec chaque plaque 2 formant le passage 3.

Avantageusement, ledit élément intercalaire est un élément de distribution 22 agencé dans une zone de distribution 20 de façon à canaliser, comme montré sur la Figure 1, le premier fluide F1 entre le collecteur de fluide 7 et la zone d’échange de chaleur 21. Ainsi, la fabrication par fonderie permet de réaliser des formes complexes de distributeurs permettant une distribution et une récupération les plus homogènes possibles vers ou depuis les zones d’échange de chaleur. La réalisation de pièces intercalaires monolithiques par fonderie permet également de réduire les pertes de charge au sein des canaux de distribution résultant d’irrégularités de profils des canaux de distribution.

Selon une forme de réalisation particulièrement avantageuse, illustrée sur les Figures 3, 4A et 4B, l’élément intercalaire 22 comprend un fond 32, de préférence plan, et des parois 25 érigées à partir du fond 32 de façon à former une pluralité de canaux 26 de distribution de fluide. Les canaux 26 sont configurés pour répartir uniformément, suivant la direction transversale y, le fluide F1 de façon à obtenir une distribution homogène ou quasi-homogène sur toute la largeur de la zone d’échange de chaleur 21. Optionnellement, l’élément intercalaire 22 pourra aussi comprendre des cloisons 27 supplémentaires.

La réalisation de pièces intercalaires par fonderie permet la fabrication d’éléments intercalaires de forme complexes, adaptés aux propriétés de distribution souhaitées. Ainsi, grâce à l’utilisation d’un alliage de fonderie selon l’invention, les parois 25 pourront avoir, en coupe longitudinale, tout profil spécifique souhaité, notamment rectiligne (Figure 3) ou curviligne (Figures 4A et 4B), les parois 25 curviligne peuvent comprendre un ou plusieurs points d’inflexion permettant de distribuer les fluides rapidement, c’est-à-dire sur une distance L1 relativement courte, typiquement entre 50 et 200 mm, sur une largeur L2 de passage plus importante typiquement comprise entre 500 et 1500 mm.

Etant rappelé que l’écoulement des fluides n’a pas nécessairement lieu dans la même direction dans la zone de distribution 20 et dans la zone d’échange 21. Ainsi, le fluide peut subir des changements de direction, sa direction d’écoulement formant, dans tout ou partie de la zone de distribution 20, un angle déterminé, par exemple 90°, par rapport à la direction d’écoulement du fluide au niveau de la zone d’échange thermique 21. L’élément intercalaire 22 peut donc présenter des canaux 26 dont les parois forment des angles droits. Le collecteur de fluide 7, l’élément intercalaire 22 et la zone d’échange 21 ne sont donc pas nécessairement alignés suivant l’axe z comme montré sur les Figures, le collecteur 7 pouvant être agencé au niveau d’un autre côté de l’échangeur que celui illustré.

La réduction de l’encombrement de la zone de distribution améliore la solidité de l’échangeur puisque l’on augmente la compacité de la zone dite « faible » de l’échangeur. Cela offre également la possibilité de réduire la largeur de la première extrémité 23 de l’élément de distribution 22, et donc la largeur du collecteur 7, qui est une pièce relativement coûteuse. De préférence, la première extrémité 23 formant entrée ou sortie de l’élément de distribution 22 présente, suivant la direction latérale y, une largeur L3 comprise entre 50 et 1000 mm. A noter que l’élément intercalaire 22 selon l’invention peut également être agencé dans la zone d’échange thermique 21 d’au moins un passage 3 de l’échangeur et ainsi former former une surface secondaire d’échange thermique 8.

Afin de démontrer la brasabilité d’un élément de distribution 22 selon l’invention, des essais de brasage ont été réalisés avec les trois types d’alliages de fonderie 713, AIMn2Ni2 et AlFeCo dont les compositions chimiques ont été mesurées par spectrométrie par étincellage et sont présentées dans le Tableau 1 ci-dessous. Les teneurs en les différents éléments sont toutes exprimées en % massique, le reste étant de l’alumium.

Tableau 1

Pour chaque alliage, des coulées ont été réalisées dans des moules et des échantillons de forme parallélépipédique de dimensions 200 x 140 x 3 mm en ont été prélevés par usinage.

Deux cycles thermiques de brasage représentatifs du brasage d’un échangeur ont été déterminés afin d’observer les modifications métallurgiques que les alliages de fonderie subiront dans un échangeur réel. Comme on le voit sur la Figure 6, le premier cycle thermique T1 (courbe en gris clair) consiste en une première rampe de température correspondant à une montée progressive en température jusqu’à 565°C et en une deuxième rampe de température correspondant à une évolution progressive de la température de 565°C à 585°C pendant une durée de 2h30min. Cette deuxième rampe est représentative de la durée et des températures de maintien au cœur d’un échangeur réel.

Le deuxième cycle thermique T2 (courbe en gris foncé) présente approximativement la même première rampe de température que le cycle T1 et s’en différencie par une deuxième rampe plus longue et plus chaude avec un maintien entre 565°c et 595°C pendant 4h30min. Cette deuxième rampe est représentative de la durée et des températures de maintien relevées en peau d’un échangeur réel, au niveau des parois extérieures et dans les coins de l’échangeur, qui sont les zones où les températures atteintes au cours du procédé de brasage sont les plus élevées.

Une fois les échantillons réalisés, ceux-ci ont été positionnés en recouvrement (configuration dite « overlap »), la largeur de la zone de recouvrement étant de 20 mm. Pour chaque type de premier alliage, des assemblages ont été préparés en plaçant une plaque formée d’une feuille centrale d’une épaisseur de 1 mm en alliage 3003 revêtue sur chaque face d’une feuille de brasure d’une épaisseur de 0,1 mm en alliage 4004 en sandwich entre deux échantillons du premier alliage d’aluminium.

Ces assemblages ont été positionnés dans un montage de brasage afin de les comprimer sous une charge de 2,7 psi (0,19 bar). Les assemblages ont ensuite été brasés en utilisant les deux cycles thermiques T1 et T2. Les assemblages brasés ont été observés au microscope optique afin d’évaluer leur microstructure ainsi qu’au microscope à balayage électronique afin d’évaluer les mécanismes de diffusion du silicium contenu dans la brasure.

Pour chaque premier alliage d’aluminium 713, AIMn2Ni2 et AlFeCo, l’observation faite au niveau de l’interface entre la feuille de brasure et ledit premier alliage montre un bon comportement au brasage, notamment un faible taux de porosités dans le joint brasé, une migration contrôlée de la brasure dans le premier alliage d’aluminium, assurant ainsi une meilleure cohésion de l’assemblage, et une absence de déformation ou de fusion des pièces moulées. La microstructure des alliages ne montre pas d’évolution en fonction du cycle thermique utilisé.

Le comportement mécanique des assemblages a également été étudié en réalisant des éprouvettes sur les assemblages brasés et en procédant à des essais de traction sur ces éprouvettes selon le standard américain ASME section IX - CB 462.1 (c) (« Welding and brazing qualifications »). Les tests effectués montrent un bon comportement de la brasure en essai de traction sur éprouvette brasée en recouvrement. L’utilisation d’un premier alliage d’aluminium du type AlFeCo est particulièrement avantageuse puisqu’il offre la plus grande solidité après coulée, l’ensemble des éprouvettes démontrant une rupture dans le métal de base et dans la partie calibrée de l’éprouvette, c’est-à-dire la partie de l’éprouvette ayant la plus faible section, et ce aux valeurs attendues, c’est-à-dire aux valeurs de références donnés pour le métal de base seul. Ceci est dû en particulier à la présence de cobalt, qui permet d’augmenter de manière significative les températures de solidus et de liquidus du premier alliage et ainsi d’améliorer la résistance du métal de base au cycle thermique de brasage.

Les résultats obtenus montrent ainsi qu’il est possible de fabriquer une pièce intercalaire pour échangeur de chaleur en alliage d’aluminium de fonderie qui soit compatible avec les procédés de brasage sous vide utilisés.

Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples particuliers décrits et illustrés dans la présente demande. D’autres variantes ou modes de réalisation à la portée de l’homme du métier peuvent aussi être envisagés sans sortir du cadre de l’invention. A titre d’exemple, d’autres directions et sens d’écoulement des fluides dans l’échangeur sont bien entendu envisageables, sans sortir du cadre de la présente invention. Un élément intercalaire selon l’invention peut ainsi être agencé dans toute zone de distribution de l’échangeur, dans une ou plusieurs séries de passage 3, 4, 5 de l’échangeur, en amont et/ou en aval d’un ou plusieurs des collecteurs de l’échangeur. A noter également que des passages 3, 4, 5 de l’échangeur peuvent aussi bien être formés entre deux plaques 2 successives qu’entre une barre de fermeture 6 de l’échangeur et une plaque 2 immédiatement voisine.

Claims (18)

1. REVENDICATIONS

   1. Echangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasés comprenant une pluralité de plaques (2) agencées parallèlement entre elles de façon à définir des passages (3) pour l’écoulement d’un premier fluide à mettre en relation d’échange thermique avec au moins un deuxième fluide, et au moins un élément intercalaire (22) agencé entre deux plaques (2) successives de façon à former, au sein d’un passage (3), plusieurs canaux (26) pour l’écoulement du premier fluide, caractérisé en ce que ledit élément intercalaire (22) est une pièce de fonderie formée d’un premier alliage d’aluminium comprenant, pour 100% de sa masse, au moins 80 % en masse d’aluminium.
2. 2. Echangeur selon ia revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier alliage d’aluminium comprend en outre un ou plusieurs composants choisis dans le groupe formé par le zinc, le manganèse, le nickel, le fer, le cobalt et le titane.
3. 3. Echangeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit premier alliage d’aluminium comprend du fer et du cobalt.
4. 4. Echangeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit premier alliage d’aluminium comprend de 1 à 2% en masse de fer et de 1 à 3% en masse de cobalt.
5. 5. Echangeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit premier alliage d’aluminium comprend de 1,45 et 1,75% en masse de cobalt.
6. 6. Echangeur selon l’une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que ledit premier alliage d’aluminium comprend en outre : - au plus 0,3% en masse de silicium, - au plus 0,3% en masse de cuivre, - au plus 0,3% en masse de manganèse, - au plus 0,3% en masse de magnésium - au plus 0,3% en masse de zinc, - au plus 0,3% en masse de nickel, - au plus 0,5% en masse de titane.
7. 7. Echangeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit premier alliage d’aluminium comprend du zinc.
8. 8. Echangeur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit premier alliage d’aluminium comprend de 5 à 9% en masse de zinc, de préférence de 7 à 8% en masse de zinc.
9. 9. Echangeur selon l’une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que ledit premier alliage d’aluminium comprend en outre : - de 0,1 à 0,3% en masse de silicium, - de 0,4 à 1,5% en masse de fer, - de 0,4 à 1 % en masse de cuivre, - de 0,2 à 1% en masse de manganèse, - de 0,2 à 0,5% en masse de magnésium, - au plus 0,2% en masse de nickel, - au plus 0,5% en masse de titane, - au plus 0,4% en masse de chrome.
10. 10. Echangeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit premier alliage d’aluminium comprend du manganèse et du nickel.
11. 11. Echangeur selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit premier alliage d’aluminium comprend de 2 à 4% en masse de manganèse et de 2 à 4% en masse de nickel.
12. 12. Echangeur selon l’une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que ledit premier alliage d’aluminium comprend en outre : - au plus 0,3 % en masse de silicium, - de 0,2 à 1 % en masse de fer, - au plus 0,3% en masse de cuivre, - au plus 0,3% en masse de magnésium, - au plus 0,3% en masse de zinc, - au plus 0,5% en masse de titane, - au plus 0,1% en masse de chrome.
13. 13. Echangeur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit premier alliage d’aluminium comprend en outre au moins 0,07% de titane, de préférence au moins 0,1% de titane, de préférence encore entre 0,2 et 0,3%.
14. 14. Echangeur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit premier alliage d’aluminium comprend en outre moins de 0,5% en masse de magnésium, de préférence moins de 0,3% en masse de magnésium.
15. 15. Echangeur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce quel’élément intercalaire (22) est assemblé par brasage avec au moins une plaque (2).
16. 16. Echangeur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en qu’un collecteur de fluide (7) est agencé en amont et/ou en aval du passage (3), ledit passage (3) comprenant une zone d’échange de chaleur (21) configurée pour favoriser l’échange de chaleur entre les premier et deuxième fluides et une zone de distribution (20) agencée entre le collecteur de fluide (7) et la zone d’échange de chaleur (21), ledit élément intercalaire étant un élément de distribution (22) agencé dans la zone de distribution (20) de façon à canaliser le premier fluide entre le collecteur de fluide (7) et la zone d’échange de chaleur (21).
17. 17. Procédé de fabrication d’un échangeur selon l’une des revendications 15 ou 16, caractérisé en ce qu’il comprend une étape d’agencement de l’élément intercalaire (22) entre deux plaques (2) successives et une étape de brasage dudit élément intercalaire (22) avec les plaques (2).
18. 18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que, durant l’étape de brasage, au moins une partie de l’élément intercalaire (22) est portée à une température supérieure à 500 °C, de préférence supérieure à 590 °C.