FR3075080A1 - Procede de brasage de pieces a texturation de surface, procede de fabrication d’un echangeur de chaleur incorporant lesdites pieces - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé d'assemblage par brasage d'une première pièce (22) et d'une deuxième pièce (6) comportant chacune au moins une portion d'assemblage (220) destinée à être brasée avec la portion d'assemblage (60) de l'autre pièce, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : a) positionnement des portions d'assemblage (220, 60) des première et deuxième pièce (22, 6) l'une contre l'autre avec agencement d'un agent de brasage (30) entre lesdites portions d'assemblage (220, 60), b) fusion de l'agent de brasage (30) et brasage des portions d'assemblage (220, 60) par liaison métallurgique de l'agent de brasage (30) à chacune des portions d'assemblage (220, 60). Selon l'invention, les première et deuxièmes pièces (22, 6) sont conformées pour définir entre elles une pluralité de canaux (26) adaptés pour l'écoulement d'un premier fluide, l'une et/ou l'autre des portions d'assemblage (220, 60) présentant, préalablement au brasage, une texturation de surface (23) sous la forme d'une structure poreuse ou de reliefs formés sur une surface desdites première et/ou deuxième pièces.

Description

La présente invention concerne un procédé de brasage d’un élément intercalaire pour un échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes, ledit élément intercalaire présentant une texturation de surface, ainsi qu’un échangeur de chaleur comprenant un tel élément et 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 liquide, de l’azote et/ou de l’argon par échange de chaleur avec un gaz calorigène, par exemple l’air ou l’azote.

Si l’échangeur de chaleur se trouve dans la cuve d’une colonne de distillation, il peut constituer un vaporiseur fonctionnant en thermosiphon pour lequel l’échangeur est immergé dans un bain de liquide descendant la colonne ou un vaporiseur fonctionnant en vaporisation à film alimenté directement par le liquide tombant de la colonne et/ou par une pompe de recirculation.

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 séparatrices 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 empilement de passages pour les différents fluides à mettre en relation d'échange thermique.

Les performances d’un échangeur sont liées au coefficient d’échange thermique des structures d’échange thermique se trouvant en contact avec les fluides. Le coefficient d’échange thermique d’une structure dépend notamment de la nature du matériau la constituant, de la porosité de ce matériau, de sa rugosité et du régime d’écoulement des fluides.

Il est possible de modifier le coefficient d’échange thermique d’une structure d'échange en modifiant la géométrie ou les propriétés physicochimiques de sa surface. Ceci permet d’augmenter la surface effective d’échange et/ou de modifier les interactions entre le fluide et la surface, en changeant des propriétés de la surface considérée comme sa mouillabilité ou sa capacité à intensifier l’ébullition d’un fluide. On parle alors de surfaces intensifiées.

Par exemple, on peut réaliser des dépôts de surface de revêtements poreux ou texturés, formant des reliefs à la surface des structures, ou bien créer de tels états de surfaces par des traitements mécaniques ou par attaque chimique.

On connaît du document WO-A-2005/075920 différentes techniques de dépôt de revêtements poreux ou de texturation à la surface d’une onde pour échangeur de chaleur.

Le document WO-A-2004/109211 décrit un procédé de dépôt d’un revêtement poreux à la surface d’une plaque séparatrice d’un échangeur de chaleur.

Un problème qui se pose avec l’utilisation de surfaces intensifiées dans des échangeurs en aluminium brasés concerne l’assemblage d’éléments comportant de telles surfaces lors de la fabrication de l’échangeur.

En effet, la liaison des éléments constitutifs de l’échangeur est réalisée par brasage avec utilisation d’un métal d’apport, appelé brasure ou agent de brasage, l’assemblage étant obtenu par fusion et diffusion de l’agent de brasage au sein des pièces à braser, sans fusion de celles-ci.

Or, la présence d’un revêtement poreux au niveau de la zone de liaison entre les pièces à assembler peut poser problème, puisqu’au jeu existant entre les pièces à assembler, s’ajoute la porosité ouverte du revêtement ou les cavités ménagées sur les surfaces texturées. Lors de sa fusion, le métal d’apport comble ces porosités ou cavités avant le jeu entre les pièces, ce qui peut engendrer des défauts dans le joint brasé, tels des porosités, un manque de brasure, voire une absence de joint. Ceci affecte les propriétés mécaniques et/ou thermiques du joint, et donc celles de l’échangeur qui sont directement liées à la qualité du joint brasé.

D'autre part, un excès de brasure peut aussi être préjudiciable aux performances de l’échangeur puisqu’en s'écoulant en dehors de la zone du joint brasé, la brasure peut modifier la microstructure du revêtement ou de la texturation de surface et donc ses performances, en comblant les porosités ou cavités ou en favorisant la fermeture de la porosité ouverte de l’élément à surface intensifiée.

Pour tenter de remédier à ces inconvénients, une solution est de ne pas réaliser de texturation sur l’élément dans la zone où le joint brasé doit être formé. Toutefois, cela implique de modifier localement l’état de surface des pièces, ce qui complexifie le procédé de fabrication. On peut par exemple masquer les zones où le brasage doit avoir lieu ou retirer le revêtement de ces zones. Mais ces étapes supplémentaires entraînent un surcoût et des difficultés de mise en oeuvre.

La présente invention a pour but de résoudre en tout ou partie les problèmes mentionnés ci-avant, notamment de faciliter la fabrication d’un échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasés présentant des structures d’échanges à propriétés thermiques améliorées.

La solution selon l’invention est alors un procédé d’assemblage par brasage d’une première pièce et d’une deuxième pièce comportant chacune au moins une portion d’assemblage destinée à être brasée avec la portion d’assemblage de l’autre pièce, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : a) positionnement des portions d’assemblage des première et deuxième pièce l’une contre l’autre avec agencement d’un agent de brasage entre lesdites portions d’assemblage,

b) fusion de l’agent de brasage et brasage des portions d’assemblage par liaison métallurgique de l’agent de brasage à chacune des portions d’assemblage, caractérisé en ce que les première et deuxièmes pièces sont conformées pour définir entre elles une pluralité de canaux adaptés pour l’écoulement d’un premier fluide, l’une et/ou l’autre des portions d’assemblage présentant, préalablement au brasage, une texturation de surface sous la forme d’une structure poreuse ou de reliefs formés sur une surface desdites première et/ou deuxième pièces.

Notons que les termes « positionnées contre », s’entendent des portions d’assemblage juxtaposées, avec ou sans jeu existant entre tout ou partie desdites portions.

Selon le cas, l’élément de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes :

- au moins une surface de l’une et/ou l’autre des première et deuxième pièces présente la texturation de surface au-delà des portions d’assemblage.

- la première et/ou la deuxième pièces présentent ladite texturation de surface sur la totalité ou la quasi-totalité de leurs surfaces.

- après le brasage, la texturation de surface est conservée en dehors des portions d’assemblage.

- après le brasage, au moins une partie de la texturation de surface est infiltrée par l’agent de brasage au niveau des portions d’assemblage.

- la deuxième pièce est sous la forme d’une plaque adaptée pour définir, avec une autre plaque agencée parallèlement à ladite plaque, un passage pour un premier fluide.

- la première pièce formant un élément intercalaire destiné à être agencé entre deux plaques de manière à subdiviser le passage en une pluralité de canaux.

- l’élément intercalaire est sous la forme d’un produit ondulé comprenant une succession de jambes d’onde reliées alternativement par des sommets d’onde et des bases d’onde, au moins une partie desdits sommets d’onde et/ou bases d’onde comprenant une portion d’assemblage.

- la texturation de surface est sous la forme d’une structure poreuse ayant, préalablement au brasage, une porosité ouverte initiale comprise entre 15 et 60 %, de préférence une porosité ouverte initiale comprise entre 20 et 45 % (% en volume).

- la texturation de surface est sous la forme d’une structure poreuse présentant, préalablement au brasage, une porosité ouverte initiale, ladite texturation de surface présentant au niveau des portions d’assemblage, après le brasage, une porosité ouverte résiduelle inférieure à ladite porosité ouverte initiale.

- la porosité ouverte résiduelle représente de 0 à 90%, de préférence de 10 à 50%, de la porosité ouverte initiale.

- la texturation de surface est sous la forme de reliefs définissant, en coupe transversale, des cavités ouvertes à la surface desdites portions d’assemblage.

- le procédé comprend, préalablement à l’étape a), une étape d’ajustement de la quantité d’agent de brasage en fonction d’au moins un paramètre choisi parmi la composition chimique de l’agent de brasage, la composition chimique de la texturation de surface, la porosité ouverte initiale ou l’épaisseur de la texturation de surface.

- le procédé comprend, préalablement à l’étape a), les étapes suivantes :

-définition d’un volume prédéterminé contenant une portion prédéterminée d’agent de brasage et des portions prédéterminées de première et/ ou de deuxième pièces présentant la texturation de surface,

- détermination d’un volume de pores ou de cavités ouverts compris dans ledit volume prédéterminé,

-détermination d’un facteur dit de liquéfaction correspondant à la fraction de la portion prédéterminée d’agent de brasage qui est fondue à l’étape b),

- ajustement d’au moins une dimension de la portion caractéristique d’agent de brasage de sorte que le produit du volume de ladite portion caractéristique d’agent de brasage par le facteur de liquéfaction soit inférieur ou égal au volume de pores ou de cavités ouverts.

- l’agent de brasage est sous la forme d’une couche de revêtement ou d’un feuillard agencé sur une des première et deuxième pièces, l’agent de brasage s’étendant suivant un plan P et ayant une épaisseur e mesurée suivant un plan orthogonal audit plan P, l’ajustement d’au moins une dimension de la portion caractéristique d’agent de brasage consistant en un ajustement de l’épaisseur e de l’agent de brasage.

- l’agent de brasage a une épaisseur e comprise entre 50 et 250 pm, de préférence comprise entre 100 et 200 pm.

Selon un autre aspect, l’invention concerne un procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasés, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :

- agencement de plusieurs deuxièmes pièces prenant la forme de plaques parallèlement entre elles de façon à définir une première série de passages pour l’écoulement d’un premier fluide à mettre en relation d’échange thermique avec au moins un deuxième fluide,

- positionnement d’au moins une première pièce formant un élément intercalaire entre deux plaques successives de façon à définir au sein d’un passage de la première série des canaux pour l'écoulement du premier fluide, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de brasage de l’élément intercalaire avec au moins une plaque au moyen d’un procédé conforme à l’invention.

En outre, l’invention concerne un échangeur 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 que l’élément intercalaire et au moins une plaque forment respectivement une première pièce et une deuxième pièce assemblées par un procédé selon l’invention.

L’invention concerne également un procédé d’échange de chaleur entre un premier fluide et au moins un deuxième fluide dans un échangeur de chaleur selon l’invention, ledit premier fluide s’écoulant entre l’élément intercalaire et la plaque à une pression inférieure ou égale à 5 bar, de préférence une pression comprise entre 1 et 2 bar.

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 illustre un exemple d’échangeur de chaleur comportant des première et deuxième pièces brasées selon un mode de réalisation de l’invention ;

la Figure 2 illustre schématiquement un assemblage par brasage selon un mode de réalisation de l’invention ;

la Figure 3A est une vue tridimensionnelle d’une première pièce selon un mode de réalisation de l’invention ;

la Figure 3B une vue en coupe transversale d’une première pièce assemblée à une deuxième pièce selon un mode de réalisation de l’invention ;

la Figure 4 schématise un procédé d’assemblage selon un mode de réalisation de l’invention ;

les Figures 5 et 6 sont des images partielles d’une première pièce selon un mode de réalisation de l’invention ;

les Figures 7 et 8 présentent des images, à différents grandissements, d’un assemblage brasé selon un mode de réalisation de l’invention.

De façon connue en soi, un échangeur de chaleur comprend un empilement de plaques disposées parallèlement l’une au-dessus de l’autre avec espacement et formant ainsi plusieurs séries de passages de forme parallélépipédique et plate pour l’écoulement un premier fluide et d’au moins un deuxième fluide à mettre en relation d’échange de chaleur indirect via les plaques. De préférence, le premier fluide comprend un liquide frigorigène à vaporiser au moins partiellement.

La Figure 1 illustre de façon schématique un exemple de passage 33 d’un échangeur 1 du type vaporiseur-condenseur alimenté en oxygène liquide. Ce vaporiseur-condenseur vaporise l'oxygène liquide OL sous basse pression (typiquement légèrement supérieure à la pression atmosphérique) recueilli en bas d'une colonne, par condensation d'azote moyenne pression (typiquement de 5 à 6 bars absolus) circulant dans des passages adjacents (non illustrés) des passages 33 dédiés à la circulation d'oxygène. L'azote moyenne pression est le plus souvent prélevé à l'état gazeux en tête d'une colonne de distillation d'air à moyenne pression à laquelle la colonne basse pression citée ci-dessus est connectée. Après son passage et sa condensation au moins partielle dans le vaporiseur-condenseur, cet azote est renvoyé dans la colonne moyenne pression.

C'est plus spécifiquement dans le cadre de cette application que l'invention sera décrite par la suite, étant entendu que son application peut être envisagée dans d'autres contextes. Ainsi, l’échangeur 1 peut vaporiser 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.

En particulier, l’invention peut concerner un procédé d’échange de chaleur entre un premier fluide et au moins un deuxième fluide dans un échangeur de chaleur selon l’invention, ledit premier fluide s’écoulant dans le passage 33 à une pression inférieure ou égale à 5 bar, de préférence une pression comprise entre 1 et 2 bar.

Dans les explications qui suivent, on traitera en particulier d’un mode de réalisation dans lequel la première pièce 22 est un élément intercalaire 22 et la deuxième pièce 6 est une plaque 6, étant entendu que les première et deuxièmes pièces 22, 6 peuvent revêtir d’autres formes adéquates selon lesquelles les première et deuxièmes pièces 22, 6 définissent entre elles une pluralité de canaux 26 adaptés pour l’écoulement d’un premier fluide.

De façon classique, tout ou partie des passages 33 de l’échangeur 1 sont pourvus d’éléments intercalaires 22 définissant, au sein des passages 33, des canaux 26 pour la circulation de l’oxygène liquide et pouvant revêtir différentes formes.

Les éléments intercalaires 22 peuvent avoir des formes ondulées, comme montré sur la Figure 2, et comprennent des jambes d’onde 123 reliées alternativement par des sommets d’onde 121 et des bases d’onde 122. Dans ce cas, on appelle « ailettes » les jambes d’onde qui relient les sommets et les bases successifs de l’onde.

Les éléments intercalaires 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 22 sont liés aux plaques 6 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 d’agent de brasage 30 au sein des pièces à braser, c’est-à-dire dans le métal de base, sans fusion de celles-ci.

De préférence, les plaques 6 sont des plaques colaminées comprenant une feuille centrale 40 dont chaque face est revêtue d’une couche 30. Selon un autre mode de réalisation, l’agent de brasage 30 peut prendre la forme d’un feuillard ou d’une couche de revêtement de surface 30. La couche de revêtement 30 peut être déposée par pulvérisation ou par application au pinceau de l’agent de brasage 30 sous forme d’une suspension de poudre contenant la poudre, un dispersant, un liant, des additifs pour contrôler la viscosité.

L’agent de brasage 30 est de préférence formé d’un matériau métallique ayant une température de fusion inférieure à celle des matériaux constitutifs des pièces 6, 22. De préférence, l’agent de brasage 30 est formé d’un deuxième alliage d’aluminium, de préférence un alliage du type 4XXX (norme ASME SB-2019 SECTION 2-B), en particulier du type 4OO4.Les plaques 6 et les éléments 22 de l’échangeur sont avantageusement formées d’un premier alliage d’aluminium de la famille 3XXX, de préférence du type 3003 (norme ASME SB-2019 SECTION 2-B).

La Figure 2 est une vue partielle d’un élément intercalaire 22 assemblé à au moins une plaque 6 adaptée pour définir, en association avec une autre plaque 6 parallèle (non illustrée), un passage 33 de l’échangeur 1.

Plus précisément, l’élément intercalaire 22 et la plaque 6 comporte chacun une portion d'assemblage 220, 60 destinée à être brasée l’une avec l’autre. Les portions d’assemblage 220, 60 l’une contre l’autre, de préférence avec un faible jeu entre elles afin d’y interposer l’agent de brasage 30. Par « portions d’assemblage », on entend les portions des pièces 22, 6 le long desquelles le joint brasé est formé, c’est-à-dire les portions qui se retrouvent liées métallurgiquement via l’agent de brasage 30. Typiquement les portions d’assemblage 220, 60 peuvent être celles où le jeu entre les pièces 22, 6, est le plus faible, typiquement les portions au niveau desquelles les pièces 22, 6 sont en contact ou quasi-contact l’une avec l’autre, c’est-à-dire avec un jeu très faible existant entre tout ou partie desdites portions, l’une avec l’autre. De préférence, un jeu faible est compris entre 0 et 0,1 mm, de préférence encore compris entre 0 et 0,05 mm.

Selon l’invention, l’élément intercalaire 22 et/ou la plaque 6 présentent préalablement au brasage, au moins au niveau de leurs portions d’assemblage 220, 60, une texturation de surface 23 sous la forme d’une structure poreuse ou de reliefs formés sur la surface desdites portions d’assemblage 220, 60.

Les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence que pour certaines applications, le brasage de pièces avec portions à texturation de surface pouvait être réalisé sans préparation particulière des portions brasées et conduire à des performances satisfaisantes en termes de tenue mécanique. C’est le cas notamment lorsqu’en fonctionnement, les canaux 26 définis entre une première et une deuxième pièce 22, 6 canalisent un premier fluide dont la pression est relativement faible, typiquement inférieure ou égale à 5 bar, de préférence une pression comprise entre 1 et 2 bar, comme c’est le cas dans les passages pour l’oxygène du vaporiseur-condenseur précédemment décrit.

En outre, il a été constaté que la texturation de surface pouvait participer de façon bénéfique à la formation du joint brasé. En effet, la brasure étant piégée dans la porosité du revêtement par les forces capillaires, elle a moins tendance à diffuser à travers les pièces brasées, ce qui limite les risques de dissolution du matériau constitutif des pièces et permet de réduire leur épaisseur.

Grâce à l’invention, on simplifie le procédé de fabrication puisque la texturation de surface peut être formée ou déposée sur la surface des pièces sans nécessiter d’étape supplémentaire de masquage ou de post-traitement visant à éliminer la texturation de surface des portions à assembler.

De préférence, le brasage entre les portions d’assemblage 220, 60 est réalisé dans le cadre du brasage global de la matrice de l’échangeur.

L’empilement de plaques, les éléments intercalaires et les autres éléments constitutifs de l’échangeur sont plaqués les uns contre les autres grâce à un dispositif de compression. La matrice ainsi formée est placée dans un four sous vide et chauffée à des températures comprises entre 550 et 650 °C, de préférence de l’ordre de 580 à 600 °C. La force décompression appliquée à la matrice est de préférence comprise entre 20000 à 40000 N/m2. La force de compression, combinée à l’apport de chaleur, permet de lier les texturations de surface des portions d’assemblage 220, 60 via l’agent de brasage 30.

De préférence, au moins une surface de l'une et/ou l’autre des première et deuxième pièces 22, 6 présente la texturation de surface 23 en dehors de leurs portions d’assemblage 220, 60, l’agent de brasage 30 étant configuré de sorte que, après le brasage des portions d’assemblage 220, 60, la texturation de surface 23 est conservée en dehors de la ou des portions d’assemblage 220, 60.

En d’autres termes, des caractéristiques de l’agent de brasage 30 telles sa composition chimique ou la quantité disposé entre les portions d’assemblage peuvent être prédéfinies de façon à ce que l’infiltration de l’agent de brasage 30 dans la texturation de surface n’ait lieu qu’au niveau des portions d’assemblage 220, 60. Ainsi, on minimise, voire on élimine, toute modification de l’état de surface de la pièce à surface intensifiée, ce qui permet de conserver de façon optimale les propriétés de la pièce à surface intensifiée et la façon dont celle-ci interagit avec le fluide circulant à son contact.

De préférence, les première et/ou deuxième pièces 22, 6 présentent ladite texturation de surface 23 sur leurs surfaces positionnées l’une contre l’autre, de préférence sur la totalité ou la quasi-totalité, c’est-à-dire les surfaces participant au joint brasé.

Avantageusement, les première et deuxième pièces 22, 6 présentent ladite texturation de surface 23 sur la totalité ou la quasi-totalité de leurs surfaces, comme par exemple représenté sur la Figure 3B. Ainsi, on simplifie le procédé de fabrication de l’élément intercalaire puisque la texturation de surface peut être formée ou déposée sur la totalité ou la quasi-totalité des surfaces de l’élément intercalaire sans nécessiter d’étape supplémentaire de masquage ou de post-traitement visant à éliminer la texturation de surface des portions à assembler.

De préférence, la première et/ou la deuxième pièces 22, 6 sont chacune formées à partir d’un substrat massif, en particulier un substrat non-poreux. La texturation de surface 23 est de préférence déposée ou formée sur la totalité ou la quasi-totalité de la surface des substrats.

A noter que dans la cadre de la présente invention, la quasi-totalité d’une surface, d’une pièce ou d’une portion s’entend d’une portion représentant au moins 90%, de préférence au moins 95%, de préférence encore au moins 98% de la superficie de cette surface, portion ou de la superficie totale de cette pièce.

Selon un mode de réalisation avantageux, la deuxième pièce 6 est sous la forme d’une plaque formant avec une autre plaque 6 parallèle un passage 33 d’échangeur de chaleur. La première pièce 22 forme un élément intercalaire qui, agencé entre deux plaques 6 subdivise le passage 33 en une pluralité de canaux 26 de fluide. Ledit élément s’étend de préférence sur la quasi-totalité, de préférence la totalité, de la hauteur des passages de manière à être en contact avec chaque plaque 6 formant le passage 33.

Selon une variante de réalisation, la deuxième pièce 6 peut être un autre élément intercalaire destiné à être agencée dans le même passage 33 et à être brasé avec l’élément intercalaire 22. A noter que la deuxième pièce 6 peut aussi être une barre de fermeture de l’échangeur de chaleur.

De préférence, l’élément intercalaire 22 est formé à partir d’un produit plat, tel une tôle ou feuillard, présentant deux surfaces opposées 22a, 22b. L’une et/ou l’autre de ces surfaces 22a, 22b présente la texturation de surface 23. Ce produit est ensuite mis en forme mécaniquement, par exemple par un outil de presse.

Comme illustré sur la Figure 3A, l’élément intercalaire 22 peut être une structure d’échange thermique ondulée comprenant une succession de jambes d’onde 123 s’étendant selon une direction D1 et reliées alternativement par des sommets d’onde 121 et des bases d’onde 122. Les portions d’assemblage 220 de l’élément intercalaire 22 se situent au niveau desdits sommets et bases d’onde 121,122 et présentent une texturation de surface 23.

La Figure 3B est une vue en coupe transversale d’une onde droite présentant des jambes d’onde 123 à surface plane. Selon cet exemple de réalisation, les canaux 26 formés entre deux jambes d’onde successives présentent une section transversale de forme générale rectangulaire. La direction z est parallèle à la direction D1 de la Figure 3A. Plusieurs jambes d’onde 123 de forme longiligne s’étendent parallèlement entre elles et globalement suivant une direction dite longitudinale z. Les jambes d’onde 123 se succèdent suivant une direction latérale x, qui est perpendiculaire à la direction longitudinale z. Dans cet exemple, les sommets d’onde 121 et les bases d'onde 122 sont de forme plane et s’étendent parallèlement entre eux et perpendiculairement aux jambes d’onde 123.

D’autre configurations d’élément intercalaire 22 sont bien sûr envisageables, notamment des configurations du type onde droite perforée, onde à décalage partiel, onde à vagues ou à arête de hareng (« herringbone » en anglais).

De préférence, l’élément intercalaire 22 est disposé en configuration dite « easyway « dans le passage 33, c’est-à-dire que les jambes d’onde ou ailettes de l’élément intercalaire s’étendent globalement suivant la direction d’écoulement du premier fluide dans le passage 33. En service, la direction d’écoulement du premier fluide est de préférence verticale, le sens d’écoulement pouvant être ascendant ou descendant.

Avantageusement, on pourra agencer un élément intercalaire à texturation de surface dans une zone 3 d’un passage 33 de l’échangeur dans laquelle pénètre l’oxygène montant, l’élément intercalaire présentant en surface des porosités ou reliefs multipliant les sites d’amorçage pour la formation du bulles d’oxygène gazeux OG.

De préférence, les première et/ou deuxième pièces 22, 6 comprennent un substrat massif, en particulier un substrat non-poreux, sur lequel la texturation 23 est formée. De préférence, la texturation de surface 23 recouvre la totalité ou la quasi-totalité du substrat.

A noter que les première et/ou deuxième pièces 22, 6 sont de préférence monobloc, c’est-à-dire formées d’une seule pièce.

Dans le cadre de l’invention, la texturation de surface 23 peut résulter d’un revêtement de surface déposé sur la première et/ou la deuxième pièce ou bien d’une modification de l’état de surface desdites pièces qui peut être obtenue par un traitement chimique, mécanique ou équivalent.

Selon un mode préféré de réalisation, la texturation de surface 23 est sous la forme d’une structure poreuse, de préférence une couche poreuse. La structure poreuse peut par exemple être formé d’un dépôt de particules d’aluminium légèrement frittées, de filaments d’aluminium enchevêtrés, de particules d’aluminium semi fondues collées les unes aux autres, telles les particules d’aluminium qui sont obtenues après projection que l’on obtient en projection thermique par flamme.

De préférence, la texturation de surface est formée d’un alliage d’aluminium comprenant pour 100% de sa masse, au moins 80 % en masse d’aluminium, de préférence au moins 90%, de préférence encore au moins 99% en masse d’aluminium.

De préférence, la texturation de surface 23 présente avant brasage une porosité ouverte initiale comprise entre 15 et 60 %, de préférence entre 20 et 45%, de préférence encore une porosité ouverte initiale comprise entre 25 et 35 % (% en volume). A noter que la porosité ouverte est définie comme le rapport entre le volume des pores ouverts, c’est-à-dire les pores communiquant fluidiquement avec l’environnement extérieur dans lequel se situe la pièce 22, et le volume total de la structure poreuse.

Les pores de la structure poreuse 23 ont de préférence un diamètre compris entre 1 et 200 pm, de préférence compris entre 5 et 100 pm. Etant noté que les pores ne sont pas nécessairement de section circulaire mais peuvent présenter des formes irrégulières. Le terme « diamètre », couvre donc également un diamètre hydraulique équivalent qui peut être calculé à partir de mesure de la perte de charge subit par un écoulement gazeux à travers la structure poreuse et en supposant que les pores ont une forme régulière, notamment sphérique, cylindrique, ...

On pourra également caractériser la dimension des pores par leur volume. De préférence, les pores de la structure poreuse 23 ont un volume compris entre 1000 et 1 000 000 pm³. Le volume des pores pourra par exemple être déterminé par tomographie ou par analyse d’images de sections polies d’échantillons prises dans une multitude de directions dans l’espace.

De façon alternative, la texturation de surface 23 peut être sous la forme de reliefs, ou motifs, imprimés ou réalisés dans le matériau constitutif des pièces 22 et/ou 6. De préférence, ces reliefs définissent, en coupe transversale, des cavités ouvertes à la surface desdites portions d’assemblage 220, 60. Par exemple, des micro-reliefs ou taille ou morphologie diverses, tels des gorges, discrètes ou ininterrompues, des stries, des protubérances,... pourront être formés ou déposés à la surface des pièces 22, 6. En particulier, les reliefs formant la texturation de surface 23 peuvent être réalisés par usinage laser ou mécanique et/ou chimique.

Selon un mode de réalisation, après brasage, la texturation de surface 23 est modifiée au niveau des portions d’assemblage 220, 60. En particulier, l’agent de brasage 30 est configuré de sorte qu’au moins une partie de la texturation de surface 23 soit infiltrée par l’agent de brasage 30 au niveau des portions d’assemblage 220, 60. Cet effet est lié à la force de compression appliquée aux pièces brasées et à l’ecoulement de l’agent de brasage 30 dans la texturation de surface.

Ainsi, il a été remarqué que la texturation de surface 23 et l’agent de brasage 30 pouvaient interagir avantageusement du point de vue des performances de l’assemblage. En particulier, l’infiltration de la texturation de surface 23 par l’agent de brasage 30 permet de combler les pores ou cavités ouverts au niveau des portions d’assemblage. L’agent de brasage est ainsi piégé au niveau de la texturation de surface, ce qui réduit voire élimine la diffusion de l’agent de brasage dans la pièce brasée, et de là le risque de dissolution de ladite pièce. Le comblement des pores ou cavités conduit en outre à de meilleures performances de transfert thermique entre les pièces 22, 6 brasées, ainsi qu’à une meilleure tenue mécanique de l’assemblage.

Selon le cas, la porosité de la texturation de surface 23 peut être en tout ou partie comblée par l’agent de brasage 30 au niveau des portions d'assemblage 220, 60.

De préférence, après le brasage, la texturation de surface 23 présente au niveau des portions d'assemblage 220, 60, une porosité ouverte résiduelle comprise entre 0% et 90%, de préférence entre 10% et 50%, de la porosité ouverte initiale (0% indiquant que la porosité ouverte initiale est totalement comblée suite au brasage).

Plus généralement, la texturation de surface 23 peut présenter avant brasage, au niveau des portions d'assemblage 220, 60, un volume initial de pores ou de cavités ouverts. Après brasage, la texturation de surface 23 présente après brasage, au niveau des portions d'assemblage 220, 60, un volume résiduel de pores ou de cavités ouverts représentant de 0% à 90%, de préférence de 10% à 50%, du volume initial de pores ou de cavités ouverts.

Avantageusement, après brasage, la texturation de surface 23 est conservée au niveau en-dehors des portions d’assemblage 220, 60. En particulier, la texturation de surface 23 présente, au niveau des portions d’assemblage 220, 60, une porosité ouverte identique ou quasi-identique à la porosité ouverte initiale et/ou un volume de pores ou de cavités ouverts identique ou quasi-identique au volume de pores ou de cavités ouverts initial.

Avantageusement, le procédé selon l’invention comprend en amont de l’assemblage à proprement parler une étape d’ajustement de la quantité d’agent de brasage 30 en fonction d’au moins un paramètre choisi parmi la composition chimique de l'agent de brasage 30, la composition chimique de la texturation de surface 23, la porosité ou l’épaisseur de la texturation de surface 23. Cette étape préalable permet de mettre en œuvre une quantité optimale d’agent de brasage 30 tenant compte de la quantité supplémentaire d’agent de brasage à utiliser du fait de la texturation de surface 23, par rapport à un procédé de brasage conventionnel de pièces à surfaces planes, tout en évitant un apport excessif de brasure qui affecterait l’état de surface des pièces en dehors de leur portion d’assemblage.

De préférence, on procède selon les étapes suivantes.

Un volume prédéterminé est défini, englobant une portion prédéterminée d’agent de brasage 30 et des portions d’assemblage 220, 60 présentant la texturation de surface 23. On détermine ensuite un volume de pores ouverts ou de cavités compris dans ledit volume prédéterminé et un facteur F prédéterminé dit de liquéfaction correspondant à la fraction de la portion prédéterminée d’agent de brasage 30 qui est fondue au cours du brasage et participe effectivement à la formation du joint brasé. Le facteur F peut être déterminé expérimentalement. Avantageusement F est compris entre 0,01 et 1, de préférence entre 0,1 et 0,9. Pour un facteur F égal à 1, on considère que tout l’agent de brasage 30 présent dans le volume prédéterminé participe au joint et qu’il n’y a pas de correction à appliquer.

La quantité d’agent de brasage est ajustée en ajustant au moins une dimension de la portion prédéterminée d'agent de brasage 30 de sorte que le produit du volume de ladite portion prédéterminée d’agent de brasage 30 par le facteur de liquéfaction soit inférieur ou égal au volume de pores ou de cavités. Ladite au moins une dimension est de préférence l’épaisseur de l’agent de brasage 30 lorsque celui-ci est sous la forme d’une couche de revêtement ou d’un feuillard.

La Figure 4 schématise un exemple de méthode simplifiée pour ajuster la quantité d’agent 30 préalablement au brasage d’une pièce 22 à texturation de surface 23. Dans cet exemple, la pièce 22 est un intercalaire ondulé dont les deux surfaces 22a et 22b sont revêtues d’une couche poreuse 23. Le joint brasé doit être formé au niveau du sommet 121 de l’élément intercalaire 22. Une couche d’agent de brasage 30 d’épaisseur e est disponible pour réaliser le joint brasé. On considère en tant que volume prédéterminé une section S de profondeur unitaire et de longueur L englobant un volume caractéristique d’agent de brasage 30 correspondant au produit de l’épaisseur e de la couche 30 par la longueur caractéristique L.

Avantageusement, la longueur caractéristique L correspond à une période d’onde, c’est-à-dire la distance entre deux sommets ou bases successives, de l’intercalaire ondulé 22. En effet, lors du brasage, l’agent de brasage 30 présent sur la longueur L prise de part et d’autre du sommet 121 est liquéfié et a tendance à se concentrer par capillarité dans la région du sommet 121 pour former le joint brasé. Le facteur de liquéfaction F peut ensuite être appliqué pour tenir compte de la quantité d’agent de brasage qui participe effectivement à la formation du joint brasé.

On détermine le volume total de pores compris dans le volume prédéterminé. Le volume total de pores pourra par exemple être déterminé par tomographie ou par analyse d’images de sections polies d’échantillons prises dans une multitude de directions dans l’espace. En pratique, dans le cas d’un volume de profondeur unitaire, on pourra par exemple évaluer la surface de pores présents sur l’image d’une section polie d’échantillons. Une telle image est présentée en Figure 5, avec un élément 22 dont la surface 22a est revêtue d’une couche poreuse 23.

Pour un volume de profondeur unitaire, le volume d’agent de brasage utilisé pour l’assemblage par brasage est défini comme le produit e x L x F. On ajuste ensuite l’épaisseur e de la couche d’agent de brasage de sorte que le produit e x L x F soit inférieur ou égal au volume de pores. Tout en respectant cette condition, l’épaisseur de brasure peut aussi être adaptée en fonction des caractéristiques de tenue mécanique ou de conduction thermique souhaitées pour le joint brasé, qui dépendent de la pression de service de l’échangeur, de la nature des matériaux formant les pièces, les revêtements...

De préférence, l’agent de brasage 30 a une épaisseur e comprise entre 50 et 300 pm, de préférence comprise entre 100 et 250 pm.

Afin de démontrer la brasabilité d’une pièce à texturation de surface, des essais de brasage avec un procédé selon l’invention ont été réalisés sur des ondes d'échange thermique 22 formées à partir d’un feuillard d’une épaisseur de 0,5 mm et revêtues sur leurs deux faces 22a, 22b d’une couche de revêtement poreux 23. Le revêtement présente au niveau des portions d’assemblage 220 des ondes, situées au niveau des sommets 121 et des bases d’onde 122, une épaisseur de l’ordre de 200 pm et une porosité initiale ouverte moyenne de l’ordre de 25%. Le revêtement 23 était formé d’un alliage aluminium comprenant 99,5% en masse d’aluminium. La hauteur h des ondes avant dépôt du revêtement était d’environ 5 mm.

Les ondes 22 étaient agencées entre deux plaques 6 formée d’une feuille centrale d’une épaisseur de 1 mm en alliage 3003 revêtue sur chaque face d'une feuille d’agent de brasage 30 d’une épaisseur de 120 pm en alliage 4004.

Le cycle de brasage utilisé consiste en une première rampe de température correspondant à une montée progressive en température jusqu’à la température de solidus de l’alliage 4004, soit 565Ό, en 4h43min, un maintien à une température supérieure à 565 °C pendant 3h30minet 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 (èuxième rampe est représentative de la durée et des températures de maintien au cœur d’un échangeur réel.

Ces assemblages ont été positionnés dans un montage de brasage afin de les comprimer sous une charge de 2,7 psi (0,19 bar) puis brasés selon le cycle thermique décrit ci-dessus. 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.

La Figure 6 montre en (a) une onde avant traitement thermique et en (b) la même onde après qu’elle ait subi le cycle thermique décrit ci-dessus. On constate que l’effet de la température seule sur le revêtement est négligeable. La porosité reste inchangée après un cycle thermique représentatif d’un brasage.

La Figure 7 montre la même onde brasée entre deux plaques formant un passage d’une hauteur de l’ordre de 5,9 mm.

La figure 8 montre en (a) l’analyse au microscope optique et en (b), (c) et (d) des analyses effectuées sur des zones particulières, dénommées respectivement MEB1, MEB2 et MEB3, avec la méthode EDS Energy Dispersion Spectrocopy) du même revêtement ayant subi le cycle de brasage avec une épaisseur de brasure de 120gm.

La porosité située au sommet de l’onde est comblée par l’effet cumulé de la brasure et de la compression. Des traces de silicium sont détectées dans les jambes des ondes et sur la face opposée de l’onde (taches plus claires sur les images (a), (b) et (c)), probablement liées à une diffusion du silicium en phase gazeuse. La porosité ouverte n’est pas affectée dans la zone des jambes d’onde.

Des essais de brasage ont été réalisés en utilisant une épaisseur d’agent de brasage de 240 gm au lieu de 120 gm. Dans ce cas, la porosité au sommet de l’onde est totalement comblée et la brasure en excès migre par capillarité dans le revêtement poreux situé sur les jambes des ondes. La porosité y est comblée par la brasure, ce qui entraîne une perte des performances du revêtement.

Le comportement mécanique des assemblages a également été étudié en réalisant des essais d’éclatement sur les assemblages brasés. Pour ce faire, les passages formés entre les deux plaques auxquelles les ondes sont brasées ont été fermés par des barres de fermeture et mis sous pression. Des pressions 5 d’éclatement de l’ordre de 46 bars ont été obtenues, ce qui est suffisant pour une utilisation dans des échangeurs du type vaporiseur à bain ou à film. Les assemblages ne présentaient pas de déformation après éclatement.

Claims (18)

1. Procédé d’assemblage par brasage d’une première pièce (22) et d’une deuxième pièce (6) comportant chacune au moins une portion d’assemblage (220) destinée à être brasée avec la portion d’assemblage (60) de l’autre pièce, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :

a) positionnement des portions d’assemblage (220, 60) des première et deuxième pièce (22, 6) l’une contre l’autre avec agencement d’un agent de brasage (30) entre lesdites portions d’assemblage (220, 60),

b) fusion de l’agent de brasage (30) et brasage des portions d’assemblage (220, 60) par liaison métallurgique de l’agent de brasage (30) à chacune des portions d’assemblage (220, 60), caractérisé en ce que les première et deuxièmes pièces (22, 6) sont conformées pour définir entre elles une pluralité de canaux (26) adaptés pour l’écoulement d’un premier fluide, l’une et/ou l’autre des portions d’assemblage (220, 60) présentant, préalablement au brasage, une texturation de surface (23) sous la forme d’une structure poreuse ou de reliefs formés sur une surface desdites première et/ou deuxième pièces.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’au moins une surface de l’une et/ou l’autre des première et deuxième pièces (22, 6) présente la texturation de surface (23) au-delà des portions d’assemblage (220, 60).

3. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la première (22) et/ou la deuxième pièces (6) présente ladite texturation de surface (23) sur la totalité ou la quasi-totalité de leurs surfaces.

4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, après le brasage, la texturation de surface (23) est conservée en dehors des portions d’assemblage (220, 60).

5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, après le brasage, au moins une partie de la texturation de surface (23) est infiltrée par l’agent de brasage (30) au niveau des portions d’assemblage (220, 60).

6. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la deuxième pièce (6) est sous la forme d’une plaque adaptée pour définir, avec une autre plaque (6) agencée parallèlement à ladite plaque, un passage (33) pour un premier fluide, la première pièce (22) formant un élément intercalaire destiné à être agencé entre deux plaques (6) de manière à subdiviser le passage (33) en une pluralité de canaux (26).

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l’élément intercalaire (22) est sous la forme d’un produit ondulé comprenant une succession de jambes d’onde (123) reliées alternativement par des sommets d’onde (121) et des bases d’onde (122), au moins une partie desdits sommets d’onde (121) et/ou bases d’onde (122) comprenant une portion d’assemblage (220).

8. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la texturation de surface (23) est sous la forme d’une structure poreuse ayant, préalablement au brasage, une porosité ouverte initiale comprise entre 15 et 60 %, de préférence une porosité ouverte initiale comprise entre 20 et 45 % (% en volume).

9. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la texturation de surface (23) est sous la forme d’une structure poreuse présentant, préalablement au brasage, une porosité ouverte initiale, ladite texturation de surface (23) présentant au niveau des portions d’assemblage (220, 60), après le brasage, une porosité ouverte résiduelle inférieure à ladite porosité ouverte initiale.

10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la porosité ouverte résiduelle représente de 0 à 90%, de préférence de 10 à 50%, de la porosité ouverte initiale.

11. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la texturation de surface (23) est sous la forme de reliefs définissant, en coupe transversale, des cavités ouvertes à la surface desdites portions d’assemblage (220, 60).

12. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend, préalablement à l’étape a), une étape d’ajustement de la quantité d’agent de brasage (30) en fonction d’au moins un paramètre choisi parmi la composition chimique de l’agent de brasage (30), la composition chimique de la texturation de surface (23), la porosité ouverte initiale ou répaisseur de la texturation de surface (23).

13. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend, préalablement à l’étape a), les étapes suivantes :

- définition d’un volume prédéterminé contenant une portion prédéterminée d’agent de brasage (30) et des portions prédéterminées de première et/ ou de deuxième pièces (22, 6) présentant la texturation de surface (23),

- détermination d’un volume de pores ou de cavités ouverts compris dans ledit volume prédéterminé,

-détermination d’un facteur dit de liquéfaction correspondant à la fraction de la portion prédéterminée d’agent de brasage (30) qui est fondue à l’étape b),

-ajustement d’au moins une dimension de la portion caractéristique d’agent de brasage (30) de sorte que le produit du volume de ladite portion caractéristique d’agent de brasage (30) par le facteur de liquéfaction soit inférieur ou égal au volume de pores ou de cavités ouverts.

14. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l’agent de brasage (30) est sous la forme d’une couche de revêtement ou d’un feuillard agencé sur une des première et deuxième pièces (22, 6), l’agent de brasage (30) s’étendant suivant un plan (P) et ayant une épaisseur (e) mesurée suivant un plan orthogonal audit plan (P), l’ajustement d’au moins une dimension de la portion caractéristique d’agent de brasage (30) consistant en un ajustement de l’épaisseur (e) de l’agent de brasage (30).

15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que l’agent de brasage (30) a une épaisseur (e) comprise entre 50 et 250 pm, de préférence comprise entre 100 et 200 pm.

16. Procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasés, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :

- agencement de plusieurs deuxièmes pièces (6) prenant la forme de plaques (6) parallèlement entre elles de façon à définir une première série de passages (33) pour l’écoulement d’un premier fluide à mettre en relation d’échange thermique avec au moins un deuxième fluide,

- positionnement d’au moins une première pièce formant un élément intercalaire (22) entre deux plaques (6>successives de façon à définir au sein d’un passage (33) de la première série des canaux (26) pour l’écoulement du premier fluide, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de brasage de l’élément intercalaire (22) avec au moins une plaque (6) au moyen d’un procédé conforme à l’une des revendications 1 à 15.

17. Echangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasés comprenant une pluralité de plaques (6) agencées parallèlement entre elles de façon à définir des passages (33) 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) agencée entre deux plaques (6) successives de façon à former au sein d’un passage (33) plusieurs canaux (26) pour l’écoulement dudit premier fluide, caractérisé en ce que l’élément intercalaire (22) et au moins une plaque (6} forment respectivement une première pièce (22) et une deuxième pièce (6) assemblées par un procédé selon l’une des revendications 1 à 11.

18. Procédé d’échange de chaleur entre un premier fluide et au moins un deuxième fluide dans un échangeur de chaleur selon la revendication

17, ledit premier fluide s’écoulant entre l’élément intercalaire (22) et la plaque (6) à une pression inférieure ou égale à 5 bar, de préférence une pression comprise entre 1 et 2 bar.