WO2009040164A1 - Revetement pour materiau d'echangeur de chaleur - Google Patents

Revetement pour materiau d'echangeur de chaleur Download PDF

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WO2009040164A1
WO2009040164A1 PCT/EP2008/059773 EP2008059773W WO2009040164A1 WO 2009040164 A1 WO2009040164 A1 WO 2009040164A1 EP 2008059773 W EP2008059773 W EP 2008059773W WO 2009040164 A1 WO2009040164 A1 WO 2009040164A1
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coating layer
mass
weight
core
heat exchanger
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Inventor
Georges De Pelsemaeker
José GARCIA ZALDIVAR
Original Assignee
Valeo Systemes Thermiques
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F19/00—Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers
    • F28F19/02—Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers by using coatings, e.g. vitreous or enamel coatings
    • F28F19/06—Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers by using coatings, e.g. vitreous or enamel coatings of metal

Definitions

  • the invention relates to the field of heat exchangers and in particular to heat exchangers intended to be traversed by a fluid.
  • Heat exchanger tubes are known at present, the ends of which are conventionally fixed respectively to two collecting boxes. These tubes form the exchange beam of the heat exchanger. Indeed, a heat transfer fluid / heat, typically a liquid type coolant circulates inside the tubes and heat exchange with another fluid, typically air, flowing outside the tubes.
  • a heat transfer fluid / heat typically a liquid type coolant circulates inside the tubes and heat exchange with another fluid, typically air, flowing outside the tubes.
  • the fluid especially when it is substantially in liquid form, becomes with the use of the vehicle is generally corrosive to the metal constituting the tube.
  • the core of the tube walls that is to say its core, is coated with a coating layer intended to be in contact with the fluid and to act as a sacrificial protection layer, in particular against chlorides.
  • this coating layer is corroded without attacking the core of the tube wall.
  • This coating layer contains zinc for a percentage close to 1% by weight.
  • This sacrificial layer function constitutes the first function of the coating layer of the heat exchanger tubes. Nevertheless, it has been found that corrosion of a metal wall is not a uniform phenomenon, i.e. corrosion occurs by pitting, creating localized degradations of the coating layer.
  • the pitting phenomenon of the tubes is the combination of a phenomenon of corrosion and erosion. Indeed, the layer close to the pitting zone is not stable
  • thermo-chemistry (still) but the corrosion products are driven by the flow further into the circuit to make way for a new chemical equilibrium. It is therefore a dynamic phenomenon of thermo-chemistry.
  • the object of the invention is in particular to overcome the aforementioned drawbacks / difficulties by proposing a coating layer for heat exchanger materials able to withstand the phenomena of corrosion and / or erosion, whatever the flow conditions in particular. heat transfer fluid / heat, while having a particularly high mechanical strength to reduce the thickness of the coating layer.
  • a material for heat exchanger comprising at least one wall capable of being in contact with a heat transfer fluid, said wall comprising a core covered with a coating layer in direct contact with said fluid, said coating layer being intended to be brazed, characterized in that the layer of coating comprises Zinc between 1.2 and 1.8% by weight, as well as Manganese between 0.9 and 1.8% and / or Zirconium between 0.05 and 0.25% by weight.
  • the material according to the invention comprises two or three layers, namely the core and its coating, as well as possibly the peripheral layer.
  • slaughter is understood to mean the part / portion of the wall located at its center, or its heart.
  • the material consists of a tube; the coating layer being located on the inner face of said tube; the material / tube will comprise a peripheral layer, located opposite the aforesaid coating layer, capable of fixing by brazing at least one insert, not visible in the accompanying figures, for example a spacer / disruptor / fin;
  • the coating layer comprises silicon between 0.3 and 1% by mass and / or iron between 0.3 and 0.9% by mass and / or copper between 0, 1 and 0.4% by weight and / or magnesium in a proportion of less than 0.05% by mass and / or Titanium between 0.05 and 0.25% by weight;
  • the core comprises silicon between 0.1 and 0.65% by weight and / or iron between 0.2 and 0.7% by weight and / or copper between 0, 2 and 1.1% by mass and / or Manganese between 0.6 and 2% by mass and / or Magnesium in a proportion of less than 0.05% by mass and / or Zinc in a proportion of less than or equal to 0.1 % mass and / or
  • Zirconium in a proportion less than or equal to 0.2% by mass; - f the core consists essentially of aluminum;
  • the thickness of the coating layer represents between 10 and 30% of the total thickness of the material, preferably between 10 and 15% of the total thickness of the material; said material comprising only a coating layer, a core and a peripheral layer; preferably, the coating layer will comprise Manganese between 1.4 and 1.8% by weight. Note that this percentage of manganese is similar / close to the manganese concentration of the core, preferably the coating layer will comprise zirconium between 0.1 and 0.2 mass%;
  • the coating layer will comprise Zinc between 1.4 and 1.8% by weight.
  • the present invention relates to a material for heat exchanger, adapted to be in contact with a heat transfer fluid, said material comprising a core covered with a coating layer in direct contact with said fluid, said coating layer being intended to be brazed, characterized in that the coating layer is a sacrificial protection layer and in that it has: a yield strength Rp 0.2 greater than or equal to 45 MPa (Mega Pascal),
  • a tensile strength greater than or equal to 125 MPa.
  • the invention also relates to a heat exchanger, in particular for motor vehicles, comprising a heat exchange beam between at least two fluids, one of said fluids circulating in materials as defined above.
  • FIG. 1 is a schematic view of a wall of heat exchanger material with its three layers of constitution.
  • the invention is illustrated with a material consisting of tubes, more exactly flat tubes, fixed in a heat exchanger to form the heat exchange bundle, but the material may also be envisaged for producing plates or any other walls for forming conduits in a heat exchanger.
  • FIG. 1 diagrammatically shows a wall 1 of a material according to the invention. It will be noted moreover that the three layers, namely the coating layer 2, the core 3 and the peripheral layer 4, are also present identically in the walls of the materials of the state of the art.
  • the invention is concerned here with the coating layer 2, and optionally with the core 3 associated with this coating layer 2.
  • the coating layers 2 and 4 are applied to the core 3 of the wall of the material / tube in a perfectly conventional manner, without any modification or particular step. This technique is well known to those skilled in the art, it will not be developed further here the method / method of application / fixation of these layers on the metal core.
  • the invention makes it possible to provide a particularly strong wall, both at the core 3 and at the coating layer 2.
  • the core 3 could previously have sometimes been resistant but never the core 3 and the coating layer 2 n have presented substantially equivalent mechanical qualities and high level. Indeed, the core 3 and the coating layer 2 of the invention have the following mechanical properties:
  • a tensile strength greater than 125 MPa a tensile strength greater than 125 MPa.
  • the elastic limit Rp 0.2 for the core 3 and the coating layer 2 is generally between 45 and 65 MPa.
  • Zinc in its indicated proportions, contribute to the corrosion resistance while Manganese and / or Zirconium have an essential role to increase the mechanical properties.
  • ⁇ Zirconium in particular has the property of limiting the recrystallization of the alloy
  • the difference in corrosion potential between the coating layer 2 and the core 3 must be at least 120 mV / ECS (Saturated Calomel Electrode, measured according to ASTM G69 - standard 1997).
  • the difference between the core 3 and the coating layer of the invention is effectively greater than this value of 120 mV / ECS, typically greater than 150 mV / ECS.
  • the invention is more particularly advantageous when the fluid flowing in the materials / tubes according to the invention is a particularly corrosive fluid, of the liquid type such as used engine coolant, but it will obviously be possible to envisage this coating layer for the materials. / tubes of all types of heat exchangers, in particular to reduce the thickness of this coating layer while providing significant mechanical strength.

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Abstract

L'invention concerne un matériau pour échangeur de chaleur, apte à être en contact avec un fluide calorifique, ledit matériau consistant en deux ou trois couches, ledit matériau comportant ainsi une âme (3) recouverte d'une couche de revêtement (2) en contact direct avec ledit fluide, ladite couche de revêtement (2) étant destinée à être brasée, caractérisé en ce que la couche de revêtement (2) comprend du Zinc entre 1,2 et 1,8 % massique, ainsi que du Manganèse entre 0,9 et 1,8 % et/ou du Zirconium entre 0,05 et 0,25 % massique et en ce qu'elle (2) comprend en outre du silicium entre 0,3 et 1 % massique et/ou du fer entre 0,3 et 0,9 % massique et /ou du cuivre entre 0,1 et 0,4 % massique et/ou du magnésium dans une proportion inférieure à 0,05 % massique et/ou du Titane entre 0,05 et 0, 25 % massique.

Description

Revêtement pour matériau d'échangeur de chaleur
L'invention se rapporte au domaine des échangeurs de chaleur et notamment aux échangeurs de chaleur destinés à être parcourus par un fluide.
On connaît à l'heure actuelle des tubes pour échangeurs de chaleur dont les extrémités sont classiquement fixées respectivement à deux boîtes collectrices. Ces tubes forment le faisceau d'échange de l ' échangeur de chaleur. En effet, un fluide caloporteur/calorifique, classiquement un liquide du type liquide de refroidissement, circule à l'intérieur des tubes et échange de la chaleur avec un autre fluide, classiquement de l'air, circulant à l'extérieur des tubes.
Le fluide, en particulier lorsqu'il se présente essentiellement sous forme liquide, devient avec l'usage du véhicule est généralement corrosif pour le métal constituant le tube. Classiquement, on revêt l'âme des parois du tube, c'est-à-dire son cœur, d'une couche de revêtement destinée à être en contact avec le fluide et à agir comme une couche de protection sacrificielle, en particulier contre les chlorures. Ainsi, cette couche de revêtement est corrodée sans que soit attaquée l'âme de la paroi du tube. Cette couche de revêtement contient du zinc pour un pourcentage proche de 1% en masse.
Cette fonction de couche sacrificielle constitue la première fonction de la couche de revêtement des tubes d' échangeurs de chaleur. Néanmoins, il a été constaté que la corrosion d'une paroi métallique n'est pas un phénomène uniforme, c'est-à-dire que la corrosion se produit par piqûration, créant des dégradations localisées de la couche de revêtement.
Le phénomène de piqûration des tubes est la combinaison d'un phénomène de corrosion et d'érosion. En effet, la couche proche de la zone de piqûration n'est pas stable
(immobile) mais les produits de corrosion sont entraînés par l'écoulement plus loin dans le circuit pour faire place à un nouvel équilibre chimique. Il s'agit donc d'un phénomène dynamique de thermo-chimie .
Or, lorsque le débit du fluide circulant dans les tubes est élevé, la corrosion par piqûration est aggravée car la résistance mécanique des couches de revêtement est très faible et bien inférieure à la résistance mécanique de l'âme. Ceci provoque, dans le cas d'un débit de fluide élevé, par exemple de l'ordre de 60 1/mn à 20 1/mn (litres/minute) , une corrosion particulièrement rapide des tubes de l'échangeur de chaleur, conduisant à une usure rapide des tubes et à des fuites .
La seule solution envisagée jusqu'à présent a consisté à augmenter l'épaisseur de la couche de revêtement de sorte que cette dernière peut supporter plus longtemps ces phénomènes de corrosion accélérés, lorsque le débit de fluide est élevé.
Cette solution n'est pas satisfaisante car elle n'améliore que temporairement la durée de vie des tubes. De plus, en ajoutant de l'épaisseur à la couche de revêtement, on augmente l'épaisseur du tube et donc la taille de l'échangeur de chaleur tout en réduisant l'échange thermique en raison d'une épaisseur matière (résistance à la conduction thermique) plus importante. Ainsi, à capacité d'échange thermique similaire, on doit prévoir un échangeur de chaleur de plus grande taille et de masse plus importante. Enfin, cet ajout de matière a évidemment un coût, d'autant plus élevé que la structure de la couche de revêtement présente une structure particulière en raison de sa fonction chimique dédiée.
Ces remarques sont ici destinées à un matériau d' échangeur de chaleur consistant en un tube mais on notera que tous types de matériaux d'échange de chaleur comportant des caractéristiques similaires, à savoir la nécessité d'une couche de revêtement destinée à protéger chimiquement l'âme de la paroi du matériau, est visée par l'invention et est susceptible de présenter, dans les échangeurs de chaleur actuels, des inconvénients/défauts similaires à ceux des tubes de l'art antérieur, comme explicité ci-dessus.
L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvénients/difficultés précités en proposant une couche de revêtement pour matériaux d' échangeurs de chaleur apte à résister aux phénomènes de corrosion et/ou érosion, quelque que soit en particulier les conditions d'écoulement du fluide caloporteur/calorifique, tout en présentant une résistance mécanique particulièrement élevée permettant de réduire l'épaisseur de cette couche de revêtement.
Elle propose à cet effet un matériau pour échangeur de chaleur, comprenant au moins une paroi apte à être en contact avec un fluide calorifique, ladite paroi comportant une âme recouverte d'une couche de revêtement en contact direct avec ledit fluide, ladite couche de revêtement étant destinée à être brasée, caractérisé en ce que la couche de revêtement comprend du Zinc entre 1,2 et 1,8 % massique, ainsi que du Manganèse entre 0,9 et 1,8 % et/ou du Zirconium entre 0,05 et 0,25 % massique.
II doit être noté que le matériau selon l'invention comprend deux ou trois couches, à savoir l'âme et son revêtement, ainsi qu'éventuellement la couche périphérique.
On entend par le terme « âme » la partie/portion de paroi située en son centre, ou son cœur.
Les pourcentages sont donnés ici en pourcentage massique, c'est-à-dire que la proportion du matériau considéré dans la couche ou partie s'établit en prenant le poids dudit matériau considéré sur le poids total de la couche ou partie ,
D'autres caractéristiques de l'échangeur de chaleur interne sont indiquées ci-après.
- Selon un mode de réalisation, le matériau consiste en un tube ; la couche de revêtement étant située sur la face interne dudit tube ; le matériau/tube comprendra une couche périphérique, située à l'opposé de la susdite couche de revêtement, apte à fixer par brasage au moins un élément rapporté, non visible sur les figures annexées, par exemple un intercalaire/perturbateur/ailette ;
- selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la couche de revêtement comprend du silicium entre 0,3 et 1 % massique et/ou du fer entre 0,3 et 0,9 % massique et/ou du cuivre entre 0,1 et 0,4 % massique et/ou du magnésium dans une proportion inférieure à 0,05 % massique et/ou du Titane entre 0,05 et 0, 25 % massique ; selon un mode de réalisation préféré de l'invention, l'âme comprend du silicium entre 0,1 et 0,65 % massique et/ou du fer entre 0,2 et 0,7 % massique et/ou du cuivre entre 0,2 et 1,1 % massique et/ou du Manganèse entre 0,6 et 2 % massique et/ou du Magnésium dans une proportion inférieure à 0,05 % massique et/ou du Zinc dans une proportion inférieure ou égale à 0,1 % massique et/ou du
Zirconium dans une proportion inférieure ou égale à 0,2 % massique ; - lfâme est constituée essentiellement d'aluminium ;
- selon une caractéristique de l'invention, l'épaisseur de la couche de revêtement représente entre 10 et 30 % de l'épaisseur total du matériau, de préférence entre 10 et 15 % de l'épaisseur total du matériau ; ledit matériau comportant uniquement une couche de revêtement, une âme et une couche périphérique ; de préférence, la couche de revêtement comprendra du Manganèse entre 1,4 et 1,8 % massique. On notera que ce pourcentage de Manganèse est similaire/proche de la concentration en manganèse de l'âme, de préférence, la couche de revêtement comprendra du Zirconium entre 0,1 et 0,2 % massique ;
- de préférence, la couche de revêtement comprendra du Zinc entre 1,4 et 1,8 % massique.
De façon générale, la présente invention se rapporte à un matériau pour échangeur de chaleur, apte à être en contact avec un fluide calorifique, ledit matériau comportant une âme recouverte d'une couche de revêtement en contact direct avec ledit fluide, ladite couche de revêtement étant destinée à être brasée, caractérisé en ce que la couche de revêtement est une couche sacrificielle de protection et en ce qu'elle présente : - une limite d'élasticité Rp 0,2 supérieure ou égale à 45 MPa (Méga Pascal) ,
- une résistance à la traction supérieure ou égale à 125 MPa.
L'invention se rapporte également à un échangeur de chaleur, en particulier pour véhicules automobiles, comportant un faisceau d'échange de chaleur entre au moins deux fluides, l'un desdits fluides circulant dans des matériaux tels que défini précédemment.
Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique d'une paroi de matériau d' échangeur de chaleur avec ses trois couches de constitution.
Dans la suite, on illustre l'invention avec un matériau consistant en des tubes, plus exactement des tubes plats, fixés dans un échangeur de chaleur pour former le faisceau d'échange de chaleur mais le matériau pourra également être envisagé pour réaliser des plaques ou tous autres parois servant à former des conduits dans un échangeur de chaleur.
Sur la figure 1, on représenté schématiquement une paroi 1 d'un matériau selon l'invention. On notera d'ailleurs que les trois couches, à savoir la couche de revêtement 2, l'âme 3 et la couche périphérique 4, sont également présentes à l'identique dans les parois des matériaux de l'état de la technique. L'invention s'intéresse ici à la couche de revêtement 2, et éventuellement à l'âme 3 associée à cette couche de revêtement 2.
Les couches de revêtement 2 et périphérique 4 sont appliquées sur l'âme 3 de la paroi du matériau/tube de façon parfaitement classique, sans aucune modification ni étape particulière. Cette technique étant bien connue de l'homme du métier, il ne sera pas ici développé plus avant le procédé/méthode d'application/fixation de ces couches sur l'âme métallique.
L'invention permet de fournir une paroi particulièrement résistante, tant au niveau de l'âme 3 que de la couche de revêtement 2. L'âme 3 avait pu auparavant être parfois résistante mais jamais l'âme 3 et la couche de revêtement 2 n'ont présenté de qualités mécaniques sensiblement équivalentes et de haut niveau. En effet, l'âme 3 et la couche de revêtement 2 de l'invention présentent les propriétés mécaniques suivantes :
- une limite d'élasticité Rp 0,2 supérieure à 45 MPa (Méga Pascal) ,
- une résistance à la traction supérieure à 125 MPa.
On notera que la limite d'élasticité Rp 0,2 pour l'âme 3 et la couche de revêtement 2 se situe généralement entre 45 et 65 MPa.
Dans la couche de revêtement 2 selon l'invention, le Zinc, dans ses proportions indiqués, contribuent à la résistance à la corrosion tandis que le Manganèse et/ou le Zirconium ont un rôle essentiel pour augmenter les propriétés mécaniques . ^Le Zirconium présente en particulier la propriété de limiter la recristallisation de l'alliage
(tailles des cristaux plus petits) . Pour assurer une bonne protection à la corrosion, la différence de potentiel de corrosion entre la couche de revêtement 2 et l'âme 3 doit être d'au moins 120 mV/ECS (Electrode de Calomel Saturée, mesuré selon l'ASTM G69 - norme 1997). La différence entre l'âme 3 et la couche de revêtement de l'invention est effectivement supérieure à cette valeur de 120 mV/ECS, classiquement supérieure à 150 mV/ECS.
L'invention est plus particulièrement intéressante lorsque le fluide circulant dans les matériaux/tubes selon l'invention est un fluide particulièrement corrosif, du type liquide tel que du liquide de refroidissement moteur usagé, mais on pourra évidemment envisager cette couche de revêtement pour les matériaux/tubes de tous types d'échangeurs de chaleur, notamment pour réduire l'épaisseur de cette couche de revêtement tout en lui procurant une résistance mécanique importante.

Claims

Revendications
1, Matériau pour échangeur de chaleur, apte à être en contact avec un fluide calorifique, ledit matériau consistant en deux ou trois couches, ledit matériau comportant ainsi une âme (3) recouverte d'une couche de revêtement (2) en contact direct avec ledit fluide, ladite couche de revêtement (2) étant destinée à être brasée, caractérisé en ce que la couche de revêtement (2) comprend du Zinc entre 1,2 et 1,8 % massique, ainsi que du Manganèse entre 0,9 et 1,8 % et/ou du Zirconium entre 0,05 et 0,25 % massique et en ce qu'elle (2) comprend en outre du silicium entre 0,3 et 1 % massique et/ou du fer entre 0,3 et 0,9 % massique et/ou du cuivre entre 0,1 et 0,4 % massique et/ou du magnésium dans une proportion inférieure à 0,05 % massique et/ou du Titane entre 0,05 et 0, 25 % massique.
2. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau consiste en un tube ; la couche de revêtement (2) étant située sur la face interne dudit tube.
3. Matériau selon la revendication 1 ou 2 , caractérisé en ce que le matériau/tube comprend une couche périphérique (4), située à l'opposé de la susdite couche de revêtement (2), apte à fixer par brasage au moins un élément rapporté, par exemple un interσalaire/perturbateur/ailette.
4, Matériau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'âme (3) comprend du silicium entre 0,1 et 0,65 % massique et/ou du fer entre 0,2 et 0,7 % massique et/ou du cuivre entre 0,2 et 1,1 % massique et/ou du Manganèse entre 0,6 et 2 % massique et/ou du Magnésium dans une proportion inférieure à 0,05 % massique et/ou du Zinc dans une proportion inférieure ou égale à 0,1 % massique et/ou du Zirconium dans une proportion inférieure ou égale à 0,2 % massique.
5. Matériau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'âme (3) est constituée essentiellement d'aluminium.
6. Matériau selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche de revêtement (2) représente entre 10 et 30 % de l'épaisseur total du matériau, de préférence entre 10 et 15 % de l'épaisseur total du matériau ; ledit matériau comportant uniquement une couche de revêtement (2) , une âme (3) et une couche périphérique (4) .
7. Matériau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de revêtement {2} comprend du Manganèse entre 1,4 et 1,8 % massique.
8. Matériau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de revêtement
{2} comprend du Zirconium entre 0,1 et 0,2 % massique.
9. Matériau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de revêtement (2) comprend du Zinc entre 1,4 et 1,8 % massique.
10. Matériau pour échangeur de chaleur, apte à être en contact avec un fluide calorifique, ledit matériau comportant une âme (3) recouverte d'une couche de revêtement (2) en contact direct avec ledit fluide, ladite couche de revêtement (2) étant destinée à être brasée, caractérisé en ce que la couche de revêtement (2} est une couche sacrificielle de protection comprenant du Zinc ainsi que du Manganèse et/ou du Z±rconium et en ce qu'elle présente :
- une limite d'élasticité Rp 0,2 supérieure ou égale a 45 MPa, - une résistance à la traction supérieure ou égale à 125 MPa.
11. Echangeur de chaleur, en particulier pour véhicules automobiles, comportant un faisceau d'échange de chaleur entre au moins deux fluides, l'un desdits fluides circulant dans un matériau tels que revendiqués dans l'une quelconque des revendications 1 à 9.
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