FR3141514A1 - Echangeur thermique présentant une protection contre la corrosion - Google Patents

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Christophe DENOUAL
Christian Casenave
Alfy BELE-ZATA
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Abstract

Echangeur thermique présentant une protection contre la corrosion La présente invention concerne un échangeur thermique (2) comportant un faisceau de plaques (4) et au moins une joue (6) bordant le faisceau de plaques (4), le matériau des plaques et de la joue (6) comportant au moins de l’aluminium, l’échangeur thermique (2) étant caractérisé en ce qu’il comporte en outre au moins une plaque additionnelle (14, 16) solidarisée à la joue (6) ou au faisceau de plaques (4) et formant un contact électrique avec la joue (6) ou le faisceau de plaques (4), la plaque additionnelle (14, 16) comportant du Zinc dans une proportion comprise entre 0,5 et 1,8% de la masse de la plaque additionnelle (14, 16). (Figure 1)

Description

Echangeur thermique présentant une protection contre la corrosion
La présente invention se rapporte au domaine des circuits de refroidissement, et concerne plus précisément un échangeur thermique comportant un faisceau de plaques métalliques, notamment en aluminium. L’invention trouve une application particulière dans le domaine automobile.
Les échangeurs thermiques équipant les boucles de climatisation des véhicules sont agencés pour permettre la circulation adjacente en deux espaces séparés de deux fluides différents, notamment un liquide caloporteur et un fluide réfrigérant, de manière à réaliser un échange de chaleur entre ces fluides, sans les mélanger. Au sein des échangeurs thermiques et des circuits thermodynamiques auxquels ils sont rattachés, les fluides circulent sous pression.
Dans un échangeur thermique à plaques, un faisceau de plaques métalliques soudées ou brasées entre elles forme une alternance de canaux dédiés à la circulation d’un liquide caloporteur et de canaux dédiés à la circulation d’un fluide réfrigérant, les canaux étant desservis par des ouvertures agencées dans les plaques.
Un tel échangeur thermique étant métallique, il est sujet à la corrosion. En effet dans un circuit de refroidissement d’un véhicule automobile, il est souvent intégré dans un environnement corrosif tel que le compartiment moteur ou un emplacement sous le châssis du véhicule.
La conception d’un tel échangeur thermique, et notamment la composition de ses plaques, sont néanmoins telles que la corrosion sur ce type d’échangeur thermique n’affecte généralement pas le bon fonctionnement du circuit de refroidissement pendant la durée de vie du véhicule. Le choix des matières utilisées pour réaliser les plaques de l’échangeur thermique tient compte du coût en résultant, de leur résistance à la corrosion externe et de leur résistance mécanique, notamment à la pression des fluides les traversant. Néanmoins dans certains pays du monde, au climat humide, un tel échangeur thermique peut amener à de graves problèmes de corrosion.
Cependant pour des raisons de coûts, adapter la conception et la composition des plaques de l’échangeur thermique à tous les climats possibles n’est pas envisageable.
La présente invention remédie au moins en partie aux inconvénients de la technique antérieure en fournissant un échangeur thermique équipé d’une protection modulable contre la corrosion externe, permettant de ralentir efficacement la vitesse de corrosion et d’augmenter la durée de vie de l’échangeur par rapport au même échangeur sans cette protection, tout en présentant une résistance mécanique adéquate.
A cet effet, l’invention propose un échangeur thermique comportant un faisceau de plaques et au moins une joue bordant le faisceau de plaques, le matériau des plaques et de la joue comportant au moins de l’aluminium,
l’échangeur thermique étant caractérisé en ce qu’il comporte en outre au moins une plaque additionnelle solidarisée à la joue ou au faisceau de plaques et formant un contact électrique avec la joue ou le faisceau de plaques, la plaque additionnelle comportant du Zinc dans une proportion comprise entre 0,5 et 1,8% de la masse de la plaque additionnelle.
Le matériau des plaques et de la joue est préférentiellement un aluminium de la série 1000, de la série 3000 ou de la série 6000.
Grâce à l’invention, un échangeur thermique standard pour des pays dont le climat est peu propice à la corrosion, est facilement adapté à des pays au climat humide en brasant, soudant ou collant la plaque additionnelle sur la joue ou le faisceau de plaques de l’échangeur thermique selon l’invention, cette plaque additionnelle jouant le rôle d’anode sacrificielle. Dans le cas d’utilisation de colle, celle-ci est choisie conductrice. En effet la plaque additionnelle est en contact électrique avec la joue ou les plaques de l’échangeur thermique, soit par contact direct avec une des joues ou le faisceau de plaques, soit par contact indirect via un élément conducteur intermédiaire tel que de la colle ou une plaque de montage.
Il est à noter que les plaques du faisceau de plaques, la joue et la plaque additionnelle sont métalliques dans le sens où elles comportent une majorité de métal et sont conductrices. Elles peuvent contenir en effet par exemple une très mince portion de semi-conducteurs.
Selon une caractéristique avantageuse de l’invention, l’épaisseur de la plaque additionnelle est d’au moins 0,5 millimètre, préférentiellement entre 0,5 et 3 millimètres, encore préférentiellement 1 millimètre. Cette épaisseur est adaptée par exemple au pays auquel est destiné l’échangeur thermique, et aux dimensions de celui-ci, notamment en fonction des épaisseurs des plaques et de la joue de l’échangeur thermique.
Dans un mode de réalisation de l’invention, la plaque additionnelle est brasée ou soudée à la joue ou au faisceau de plaques. Ce brasage peut ainsi se faire lors du brasage des plaques de l’échangeur thermique et de la joue non encore brasées, ce qui évite une opération supplémentaire pour le montage de cette plaque additionnelle.
Préférentiellement, la plaque additionnelle comporte une surface de contact avec la joue, la surface de contact représentant au moins 60% d’une surface externe de la joue.
Dans ce mode de réalisation de l’invention, la joue comporte des connexions fluidiques destinées à être raccordées à un système externe de gestion thermique, et la plaque additionnelle couvre une surface plane de la joue comprise entre les connexions fluidiques. Ainsi la plaque additionnelle utilise une surface non utilisée de l’échangeur thermique, notamment non exploitable pour compacter un système de refroidissement incluant l’échangeur thermique.
Lorsque l’échangeur thermique comporte une plaque de montage métallique solidarisée à la joue et comportant une portion s’étendant au-delà du faisceau de plaques, la portion comportant des moyens de fixation de l’échangeur thermique, la plaque additionnelle est par exemple en contact avec la plaque de montage métallique.
Dans une variante de réalisation de l’invention, la plaque additionnelle est elle-même une plaque de montage de l’échangeur thermique comportant une portion s’étendant au-delà du faisceau de plaques, la portion comportant des moyens de fixation de l’échangeur thermique. Cette plaque de montage est souvent dépendante d’une intégration spécifique dans un véhicule donné et peut donc être spécifique à un climat donné.
Dans une autre variante de réalisation de l’invention, dans laquelle le faisceau de plaques comporte une plaque d’extrémité opposée à la joue par rapport au faisceau de plaques, la joue comportant des connexions fluidiques, la plaque additionnelle est en contact avec au moins 90% d’une partie plane de la plaque d’extrémité. La plaque additionnelle peut ainsi s’étendre sur une surface plus grande de l’échangeur thermique, allant jusqu’à 100% de la partie plane de la plaque d’extrémité.
Avantageusement, la plaque additionnelle comporte des moyens d’indexage aptes à positionner la plaque additionnelle par rapport à la joue ou au faisceau de plaques. Ces moyens d’indexage sont par exemple des pions utilisés pour positionner la plaque additionnelle sur la joue ou le faisceau de plaques avant brasage de l’échangeur thermique selon l’invention.
Dans un mode de réalisation de l’invention, la joue comporte des connexions fluidiques et l’au moins une plaque additionnelle est une première plaque additionnelle en contact électrique avec la joue, l’échangeur thermique comportant une deuxième plaque additionnelle en contact électrique avec une plaque d’extrémité du faisceau de plaques opposée à la joue par rapport au faisceau de plaques. Cette redondance des plaques additionnelles permet de renforcer la résistance à la corrosion de l’échangeur thermique et d’être moins limité par les dimensions de la joue ou des plaques.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore au travers de la description qui suit d’une part, et de plusieurs exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés d’autre part, sur lesquels :
représente en perspective un échangeur thermique selon l’invention, et notamment une joue de cet échangeur thermique équipée de connexions fluidiques, dans un premier mode de réalisation de l’invention,
représente en perspective l’échangeur thermique de la , de manière à rendre visible une plaque d’extrémité d’un faisceau de plaques de l’échangeur thermique, cette plaque d’extrémité étant opposée à la joue par rapport au faisceau de plaques, et
représente schématiquement en perspective éclatée un échangeur thermique selon l’invention, dans un deuxième mode de réalisation de l’invention.
Selon un premier mode de réalisation de l’invention, un échangeur thermique 2 selon l’invention comporte un faisceau de plaques 4 formé de plaques métalliques brasées ou soudées entre elles. Elles sont par exemple composées d’un alliage d’aluminium et d’autres métaux ou semi-conducteurs tels que le zinc, le cuivre, le silicium, etc.
Chaque plaque s’étend en longueur selon une direction longitudinale L et en largeur selon une direction H orthogonale à la direction longitudinale L. Les plaques sont empilées les unes sur les autres selon une direction transversale T, la dimension de cet empilement correspondant à l’épaisseur ou plus petite dimension du faisceau de plaques 4. Bien sûr dans cette demande, les caractéristiques de l’échangeur thermique selon l’invention suivent les directions indiquées aux tolérances de fabrication près. Par exemple les plaques sont rectangulaires et planes sauf en leurs bords qui sont recourbés, aux tolérances de fabrication près.
De manière connue, ces plaques forment, par des ouvertures dans les plaques, un collecteur d’entrée de liquide caloporteur et un collecteur de sortie de liquide caloporteur, ainsi qu’un collecteur d’entrée de fluide réfrigérant et un collecteur de sortie de fluide réfrigérant.
Dans ce premier mode de réalisation de l’invention, l’échangeur thermique 2 comporte une joue 6 bordant le faisceau de plaques 4 et permettant d’accéder au collecteur d’entrée de liquide caloporteur et au collecteur de sortie de liquide caloporteur par des tubulures respectives 8 et 10. La joue 6 est également métallique, composée par exemple d’un alliage d’aluminium et d’autres métaux ou semi-conducteurs tels que le zinc, le cuivre, le silicium, etc. La joue 6 est brasée ou soudée sur une face de plus grande dimension du faisceau de plaques 4. Les tubulures 8 et 10 sont également métalliques et brasées ou soudées à la joue 6.
La joue 6 comporte également un bloc de connexion 12 comportant des bouches d’accès aux collecteurs d’entrée et de sortie de fluide réfrigérant. Ce bloc de connexion 12 est également métallique et brasé ou soudé à la joue 6. En variante les accès aux collecteurs du faisceau de plaques 4 ne sont pas tous agencés sur une même face de celui-ci.
Dans ce premier mode de réalisation de l’invention, l’échangeur thermique 2 comporte une plaque de montage 14 brasée ou soudée à la joue 6 sur une première portion de cette plaque de montage 14. Cette première portion est plane, et s’étend sur la majeure partie de la joue 6, notamment d’une part entre les tubulures 8, 10 et le bloc de connexion 12 et d’autre part entre les tubulures 8 et 10. Cette première portion est donc au contact de la surface de la joue 6 opposée au faisceau de plaques 4.
La plaque de montage 14 présente une forme globale en équerre, une deuxième portion de la plaque de montage étant orthogonale à la première portion et s’étendant dans les directions transversale et longitudinale, en vis-à-vis de l’épaisseur du faisceau de plaques 4 et au-delà. Des moyens de fixation 18, ici un trou destiné à recevoir une vis, sont situés sur cette deuxième portion au niveau d’une partie de celle-ci faisant saillie longitudinalement du faisceau de plaques, et permettent de fixer l’échangeur thermique dans un système de refroidissement d’un véhicule.
La plaque de montage 14 a par exemple la même composition que la joue 6 et fait au moins 0,5 millimètre d’épaisseur, préférentiellement entre 0,5 et 3 millimètres, encore préférentiellement 1 millimètre.
Une première plaque additionnelle 16 d’au moins 0,5 millimètre d’épaisseur, préférentiellement entre 0,5 et 3 millimètres d’épaisseur, est également brasée ou soudée à la plaque de montage 14, sur une partie plane de la plaque de montage 14 brasée avec la joue 6, donc prise en tenaille entre la première plaque additionnelle 16 et la joue 6. Plus précisément la première plaque additionnelle 16 couvre la majeure partie de la plaque de montage 14, donc de la surface plane de la joue 6, comprise entre les tubulures 8,10 d’une part et le bloc de connexion 12 d’autre part. L’épaisseur de la première plaque additionnelle 16 est par exemple choisie en fonction des dimensions de la joue 6, du faisceau de plaques 4 et de la plaque de montage 14.
Cette première plaque additionnelle 16 comporte du Zinc dans une proportion comprise entre 0,5 et 1,8% de sa masse. Les autres composantes de cette première plaque additionnelle 16 sont par exemple d’autres métaux ou semi-conducteurs tels que de l’aluminium, du silicium, etc.
Ainsi la première plaque additionnelle 16 est en contact électrique avec la joue 6 et le faisceau de plaques 4 et permet de servir d’anode sacrificielle, son potentiel électrochimique étant plus bas que celui de l’aluminium, et donc de protéger la joue 6 et le faisceau de plaques 4 contre la corrosion.
En variante, la plaque de montage 14 comporte également du Zinc dans une proportion comprise entre 0,5 et 1,8% de sa masse et sert aussi d’anode sacrificielle. Dans une autre variante, l’échangeur thermique 2 ne comporte pas la première plaque additionnelle 16 mais seulement la plaque de montage 14 servant d’anode sacrificielle.
Dans ce premier mode de réalisation de l’invention, l’échangeur thermique 2 comporte une deuxième plaque additionnelle 22 brasée ou soudée à une plaque d’extrémité 20 du faisceau de plaques 4, opposée à la joue 6 par rapport au faisceau de plaques 4. Plus précisément la deuxième plaque additionnelle 22 est brasée ou soudée à une surface de la plaque d’extrémité 20 opposée aux autres plaques du faisceau de plaques 4.
Cette deuxième plaque additionnelle 22 comporte du Zinc dans une proportion comprise entre 0,5 et 1,8% de sa masse. Les autres composantes de cette deuxième plaque additionnelle 22 sont par exemple d’autres métaux ou semi-conducteurs tels que de l’aluminium, du silicium, etc. L’épaisseur de la plaque additionnelle 22 est d’au moins à 0,5 millimètres, préférentiellement entre 0,5 et 3 millimètres, en fonction de l’épaisseur des plaques du faisceau de plaques 4 notamment. La plaque additionnelle 22 est ici en contact avec toute la partie plane de la plaque d’extrémité 20. En variante, la plaque additionnelle ne couvre pas toute cette partie plane mais est plus épaisse.
Cette deuxième plaque additionnelle 22 sert également d’anode sacrificielle contre la corrosion du faisceau de plaques 4. En variante, l’échangeur thermique 2 ne comporte pas cette deuxième plaque additionnelle 22, la première plaque additionnelle 16 étant dimensionnée pour suffire à protéger l’ensemble de la joue 6 et le faisceau de plaques 4 contre la corrosion.
Selon un deuxième mode de réalisation représenté , un échangeur thermique 30 selon l’invention comporte, comme dans le premier mode de réalisation de l’invention, le faisceau de plaques 4 et la joue 6 bordant le faisceau de plaques 4. Seules quelques plaques du faisceau de plaques 4 sont représentées pour plus de visibilité. Le faisceau de plaques 4 comporte également la plaque d’extrémité 20 opposée à la joue 6.
A la différence du premier mode de réalisation de l’invention, dans ce deuxième mode de réalisation de l’invention, l’échangeur thermique 30 ne comporte pas de plaque de montage. De plus la joue 6 comporte des pions d’indexage aptes à s’insérer dans des trous 172 d’une plaque additionnelle 17 brasée ou soudée à la joue 6, sur une surface de celle-ci opposée au faisceau de plaques 4. Ces pions et ces trous 172 permettent donc de positionner la plaque additionnelle 17 lors de son brasage ou de son soudage sur la joue 6. En variante la joue comporte des cavités d’indexage recevant des pions d’indexage disposés sur la plaque additionnelle 17.
Dans ce deuxième mode de réalisation de l’invention, la plaque additionnelle 17 couvre la majeure partie de la surface plane de la joue 6 comprise entre les tubulures 8,10 d’une part et le bloc de connexion 12 d’autre part. L’épaisseur de la plaque additionnelle 17 est d’au moins 0,5 millimètres, préférentiellement entre 0,5 et trois 3 millimètres d’épaisseur, la joue 6 étant d’un millimètre d’épaisseur, la plaque d’extrémité 20 de 1,5 millimètres d’épaisseur et les plaques intermédiaires de 0,35 millimètre d’épaisseur.
Cette plaque additionnelle 17 comporte du Zinc dans une proportion comprise entre 0,5 et 1,8% de sa masse. Les autres composantes de plaque additionnelle 17 sont par exemple d’autres métaux ou semi-conducteurs tels que de l’aluminium, du silicium, etc.
Ainsi la plaque additionnelle 17 est en contact électrique avec la joue 6 et le faisceau de plaques 4 et permet de servir d’anode sacrificielle, son potentiel électrochimique étant plus bas que celui de l’aluminium, et donc de protéger la joue 6 et le faisceau de plaques 4 contre la corrosion.
Dans ce deuxième mode de réalisation de l’invention, la plaque d’extrémité 20 comporte également une plaque additionnelle servant d’anode sacrificielle, similaire à la deuxième plaque additionnelle 22 du premier mode de réalisation de l’invention. En variante l’échangeur thermique ne comporte que la plaque additionnelle 17 comme anode sacrificielle, celle-ci étant dimensionnée pour protéger l’ensemble des plaques du faisceau de plaques 4 et la joue 6.
Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention. Notamment les caractéristiques des différents modes ou variantes de réalisation peuvent être combinées pour réaliser l’invention, dans la mesure où ces modes ou variantes ne sont pas incompatibles entre eux.

Claims (10)

  1. Echangeur thermique (2, 30) comportant un faisceau de plaques (4) et au moins une joue (6) bordant le faisceau de plaques (4), le matériau des plaques et de la joue (6) comportant au moins de l’aluminium,
    l’échangeur thermique (2, 30) étant caractérisé en ce qu’il comporte en outre au moins une plaque additionnelle (14, 16, 17, 22) solidarisée à la joue (6) ou au faisceau de plaques (4) et formant un contact électrique avec la joue (6) ou le faisceau de plaques (4), la plaque additionnelle (14, 16, 17, 22) comportant du Zinc dans une proportion comprise entre 0,5 et 1,8% de la masse de la plaque additionnelle (14, 16, 17, 22).
  2. Echangeur thermique (2, 30) selon la revendication 1, dans lequel l’épaisseur de la plaque additionnelle (14, 16, 17, 22) est d’au moins 0,5 millimètre.
  3. Echangeur thermique (2, 30) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la plaque additionnelle (14, 17, 22) est brasée ou soudée à la joue (6) ou au faisceau de plaques (4).
  4. Echangeur thermique (2, 30) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la plaque additionnelle (14, 17) comporte une surface de contact avec la joue (6), la surface de contact représentant au moins 60% d’une surface externe de la joue (6).
  5. Echangeur thermique (2, 30) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la joue (6) comporte des connexions fluidiques (8, 10, 12) destinées à être raccordées à un système externe de gestion thermique, et dans lequel la plaque additionnelle (14, 16, 17) couvre une surface plane de la joue comprise entre les connexions fluidiques (8, 10, 12).
  6. Echangeur thermique (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la plaque additionnelle (14) est une plaque de montage de l’échangeur thermique (2) comportant une portion s’étendant au-delà du faisceau de plaques (4), la portion comportant des moyens de fixation (18) de l’échangeur thermique (2).
  7. Echangeur thermique (2) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’échangeur thermique (2) comporte une plaque de montage (14) métallique solidarisée à la joue (6) et comportant une portion s’étendant au-delà du faisceau de plaques (4), la portion comportant des moyens de fixation (18) de l’échangeur thermique (2), et dans lequel la plaque additionnelle (16) est en contact avec la plaque de montage (14) métallique.
  8. Echangeur thermique (2, 30) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le faisceau de plaques (4) comporte une plaque d’extrémité (20) opposée à la joue (6) par rapport au faisceau de plaques (4), la joue (6) comportant des connexions fluidiques (8, 10, 12), et dans lequel la plaque additionnelle (22) est en contact avec au moins 90% d’une partie plane de la plaque d’extrémité (20).
  9. Echangeur thermique (2, 30) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la joue (6) comporte des connexions fluidiques (8, 10, 12) et dans lequel l’au moins une plaque additionnelle est une première plaque additionnelle (14, 16, 17) en contact électrique avec la joue (6), l’échangeur thermique (2, 30) comportant une deuxième plaque additionnelle (22) en contact électrique avec une plaque d’extrémité (20) du faisceau de plaques (4) opposée à la joue (6) par rapport au faisceau de plaques (4).
  10. Echangeur thermique (30) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la plaque additionnelle (17) comporte des moyens d’indexage (172) aptes à positionner la plaque additionnelle (17) par rapport à la joue (6) ou au faisceau de plaques (4).
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