WO2018138282A1 - Structure de boitier et conduit d'admission pour echangeur de chaleur - Google Patents

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WO2018138282A1
WO2018138282A1 PCT/EP2018/051992 EP2018051992W WO2018138282A1 WO 2018138282 A1 WO2018138282 A1 WO 2018138282A1 EP 2018051992 W EP2018051992 W EP 2018051992W WO 2018138282 A1 WO2018138282 A1 WO 2018138282A1
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plastic material
housing structure
mass fraction
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Georges De Pelsemaeker
Peggy HAVET
Alcina Tanghe
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Valeo Systemes Thermiques
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a housing structure for a heat exchanger, a fluid intake duct in this exchanger, a charge air inlet box for a charge air cooler of a motor vehicle engine with supercharged internal combustion engine, this cooler comprising this box and a charge air circuit for such a vehicle incorporating it.
  • the invention applies in particular to such a cooler but more generally to any heat exchanger conveying a fluid at a temperature which may be equal to or greater than 220 ° C.
  • RAS are generally air / air or air / liquid type heat exchangers which are the seat of severe stresses, in particular from a thermal point of view due to the cyclic use of the turbocharger depending on the engine speed that occurs. translated by an increase in the pressure and the temperature of the charge air at each loading of the turbocharger.
  • temperature peaks of this air up to 250 ° C require the use of materials resistant to these very high temperatures, thicknesses of such materials sufficiently high for the mechanical strength of the walls of the corresponding structures of the RAS (such as charge air inlet boxes and in particular the walls of their ducts conveying the air at these temperatures may vary from 220 ° C to 250 ° C) and also the use of RAS large dimensions to promote the heat transfer between these high temperatures and air or liquid (typically brine) cooling.
  • materials resistant to these very high temperatures thicknesses of such materials sufficiently high for the mechanical strength of the walls of the corresponding structures of the RAS (such as charge air inlet boxes and in particular the walls of their ducts conveying the air at these temperatures may vary from 220 ° C to 250 ° C) and also the use of RAS large dimensions to promote the heat transfer between these high temperatures and air or liquid (typically brine) cooling.
  • the mass fraction of glass fibers in these materials based on PA66, PA46 or PPA can vary from 30% to 50%, depending on the temperature of use (including its continuous nominal value and its peaks) and the variation pressure inside the box, ie the mechanical characteristics required for each use.
  • a major disadvantage of these known plastic materials lies in the fact that their temperature of use must not exceed 220 ° C, since this temperature value is their limit of use because of their thermo-oxidative aging at temperatures above 220 ° C, or even 200 ° C, temperatures that degrade by reducing their mechanical properties.
  • the SAR boxes made of these plastic materials based on PA66, PA46 and PPA are no longer capable of exerting their function of mechanical resistance at these temperatures. high. Indeed, it has been demonstrated at these high temperatures a strong radical degradation of these polyamides which is activated by the temperature of the air very hot and controlled by the diffusion of oxygen, and which results in breaks in chains. at the amide groups and by the formation of carbonyl groups.
  • thermoplastic polymers which are not likely to be degraded by this oxidative aging, especially at more than 220 ° C., such as phenylene polysulfides (PPS) reinforced with glass fibers.
  • PPS phenylene polysulfides
  • the PPS are known to withstand these temperatures without loss of their mechanical properties and to have, in addition to high dimensional stability, a chemical inertia and non-flammable and self-extinguishing properties making them usable within motor vehicles especially in alternators and small devices such as electronic components, actuators, sensors and electrical systems.
  • a box of SAR differs from these known applications, in particular in that it must withstand variations in the pressure of the supercharging air up to 4.10 5 Pa and sometimes more within the RAS in because of the aforementioned cyclical use of the turbocharger, and in that it does not require chemical inertia (due to the absence of reaction with a highly reactive medium), nor dimensional stability due to its manufacturing process (Typically by crimping) using dimensional variations of the box material.
  • An object of the present invention is to provide a housing structure for a heat exchanger that overcomes these disadvantages, and this goal is achieved in that the Applicant has just discovered unexpectedly that the mixing of a PPS and an elastomer according to a mass ratio PPS / elastomer equal to or greater than 4 makes it possible to obtain a thermoplastic matrix which, combined with the use of a reinforcing filler, leads to obtaining a plastic material which has both a satisfactory resistance to temperatures above 220 ° C and pressure variations of 4.10 5 Pa and is therefore usable to form at least partly a wall of the housing structure.
  • At least one elastomer present in the plastic material in a mass fraction inclusive of between 2% and 10%.
  • housing structure is meant in the present description any structural element of a box, tank, envelope or other subset of a heat exchanger, such as a RAS, here being preferentially (but not only) of a charge air inlet box for a RAS.
  • PPS phenylene polysulfide characterized by the binding in its repeating unit of an aromatic group to a sulfur atom and having a melting point between 285 ° C and 290 ° C
  • a PPS usable according to the invention can be illustrated by the following formula:
  • thermoplastic matrix according to the invention thus has:
  • this absorption capacity assimilable to a "breathing" of the material according to the invention being provided by the elastomer mixed with PPS which confers elasticity on the matrix by compensating for the fragility of the PPS with respect to these variations of pressure.
  • this plastic material according to the invention which is advantageously injection-molded to obtain the wall of the desired housing structure (the injection making it possible to obtain complex geometries for this structure), is thus usable replacing the metallic materials constituting to date the various parts of heat exchangers and in particular the fluid inlet boxes or collectors such as supercharging air for the RAS, allowing to significantly reduce the mass of these exchangers, particularly in motor vehicles, and thus to limit C0 2 emissions by them.
  • said at least one elastomer is chosen from vulcanized rubbers and thermoplastic elastomers (TPE), said thermoplastic matrix forming:
  • thermoplastic vulcanizate thermoplastic elastomer when said at least one elastomer is a vulcanized rubber that is dispersed in said phenylene polysulfide, or
  • thermoplastic polymers when said at least one elastomer is a thermoplastic elastomer (TPE) mixed with said phenylene polysulfide.
  • TPE thermoplastic elastomer
  • rubbers usable in the case (i) for forming said TPV by mixing with the PPS mention may be made of any usual rubber which may be dispersed by mixing in the PPS to improve the impact resistance of the PPS, such as for example the polyorganosiloxanes, ethylene-propylene copolymers (EPM), ethylene-butane copolymers, ethylene-propylene-diene terpolymers (EPDM), styrene-butadiene-styrene copolymers (SBS) and ethylene-(meth) acrylic acid copolymers (AEM) ).
  • EPM ethylene-propylene copolymers
  • EPDM ethylene-propylene-diene terpolymers
  • SBS styrene-butadiene-styrene copolymers
  • AEM ethylene-(meth) acrylic acid copolymers
  • said rubber-type elastomer is incorporated mechanically in the form of a vulcanized elastomer phase formed of very small rubber particles dispersed during the step of mixing the material in the thermoplastic base. consisting of the PPS after polymerization of the latter, with all of the additives including the reinforcing filler.
  • any TPE may be cited that may be compatible with the PPS, such as for example:
  • COPA copolyamides
  • PEBA poly (ether block amide)
  • amide block ester poly (amide block ester)
  • PPS + TPE alloy those marketed by Chevron Phillips under the generic name Ryton®, for example the Ryton® alloy of grade XE5030 or XE5430 and generally grades Xtel XE.
  • said reinforcing filler may be present in said plastic material in a mass fraction inclusive of between 10% and 50%.
  • said reinforcing filler may be chosen from organic fibers, inorganic fibers, organic beads, inorganic beads and a mixture of said fibers and / or said beads.
  • said reinforcing filler may comprise glass fibers and / or carbon fibers, said filler optionally optionally comprising mica.
  • said reinforcing filler comprises glass fibers in a mass fraction in said plastic material inclusive of between 25% and 50%.
  • said PPS is present in said plastic material in a mass fraction inclusive of between 40% and 68% (preferably between 42% and 53%), the glass fibers being of preferably present in said material in a mass fraction inclusive of between 30% and 40%.
  • said elastomer it is then preferably present in said material in a mass fraction inclusive of between 2% and 7%, especially in the case (ii) above wherein said elastomer is a TPE.
  • the reinforcing filler comprises carbon fibers in a mass fraction in said plastic material inclusive of between 10% and 40%.
  • said PPS is present in said plastic material in a mass fraction inclusive of between 40% and 88%, said carbon fibers being preferably present in said plastic material in a mass fraction. inclusive between 10% and 20%.
  • thermoplastic matrix may further comprise at least one non-elastomeric thermoplastic polymer chosen from polyaryletherketones (PAEK), polyetheretherketones (PEEK), polyetherketoneketones (PEKK), polyimides (PI), polyamideimides (PAI) and mixtures of at least two of these polymers.
  • PEEK polyaryletherketones
  • PEEK polyetheretherketones
  • PEKK polyetherketoneketones
  • PI polyamideimides
  • PAI polyamideimides
  • said plastic material may further comprise a non-reinforcing filler which preferably comprises talc.
  • said at least a portion of said wall consisting of said plastic material may form a conduit capable of conveying a fluid flowing in the exchanger at a temperature equal to or greater than 220 ° C. capable of dyeing 250 ° C. vs.
  • thermoplastic matrix comprises:
  • a supercharging air inlet box according to the invention for an air / air or air / liquid type RAS, the RAS being mounted between a turbocharger and combustion cylinders of a motor vehicle with an internal combustion engine supercharged and being adapted for cooling the intake air of the engine, is such that the box consists of a housing structure as defined above and comprises said plastic material in all or part of said wall forming the box.
  • the box is able to convey said supercharging air at a temperature equal to or greater than 220 ° C and preferably between 225 ° C and 250 ° C inclusive.
  • a SAR according to the invention of the air / air or air / liquid type which is intended to be mounted between at least one turbocharger and combustion cylinders of a motor vehicle with a supercharged internal combustion combustion engine and which is adapted to cool the engine.
  • the intake air of the engine, the RAS comprising a charge air intake box, is such that said box is as defined above.
  • At least one turbocharger At least one turbocharger
  • an air / air or air / liquid type RAS which is mounted between said turbocharger and said combustion cylinders and which is adapted to cool the air admitted into said cylinders
  • FIG. 1 is a schematic view of an exemplary supercharging air circuit according to the invention
  • FIG. 2 is a perspective view of a supercharging air inlet box according to the invention that can be used in an air-to-air type RAS included in the circuit of FIG. 1
  • FIG. 3 is a schematic view of an air-liquid type RAS according to the invention that can also be used in the circuit of FIG. 1,
  • FIG. 4 is a graph comparing the impact strengths, measured from 0 to 100, of materials reinforced with glass fibers and respectively based on a TPE, a PA66, a PPS and three materials according to FIG. 'invention,
  • FIG. 5 is a graph comparing the respective tensile strengths at 210 ° C., measured from 0 to 100, of these materials reinforced with glass fibers and respectively based on a TPE, a PA66, a PPS and these three materials according to the invention, and
  • FIG. 6 is a graph comparing the evolution of mechanical properties (ordinate, measured from 0 to 300% relative to an initial state) in terms of moduli and tensile strength, of two materials reinforced by glass fibers. respectively based on a PA66 and a material according to the invention, depending on the number of aging hours at 210 ° C (abscissa).
  • the charge air circuit 1 of FIG. 1 comprises a turbocharger 2 which, under the action of the exhaust gases collected at the outlet of an exhaust manifold 3 of the engine, compresses the air which is intended for the cylinders 4 of the combustion engine and which is collected by an air intake duct 5.
  • the hot supercharging air thus compressed which is usually loaded with engine oil, then passes via a pipe 6 in a cooler d.
  • charge air (RAS) 7 mounted between the turbocharger 2 and the combustion cylinders 4.
  • the RAS 7 comprises a supercharging air intake box 8 capable of forming the above-mentioned housing structure according to the invention with a wall 8a forming a duct 8b, into which the hot air of supercharging flows. circulating in the pipe 6 to be distributed in the RAS 7.
  • the RAS 7 receives a second heat transfer fluid which is intended to cool the supercharging air distributed in heat exchange surfaces of the RAS 7 and which is composed of cold air (in the case an air RAS 7) or a coolant L, such as brine (in the case of a water RAS 7 'as shown in Figure 3).
  • the RAS 7 also comprises, at the outlet of these exchange surfaces, a supercharging air outlet box 9 which collects the cooled air coming from these surfaces and guides it to a pipe 10 which brings it into the combustion cylinders. 4.
  • the heat exchange surfaces between the supercharging air and the second heat transfer fluid may comprise flat tubes in which the second fluid circulates and between which the charge air passes, or a stack of communicating plates in which circulates the second fluid between an inlet and a fluid outlet and the supercharging air in the space between the plates.
  • the inlet and outlet of the second heat transfer fluid can be connected to a temperature control circuit, said low temperature, such as an air conditioning circuit of the motor vehicle.
  • the air-liquid RAS 7 'illustrated in Figure 3 (“WCAC” abbreviated to English for “water charge air cooler”) is here intended to distribute the cooled air to the intake ducts of the cylinder head of the vehicle engine automobile by an intake manifold 9 'attached to the RAS 7'.
  • the compressed hot air from the turbo compressor 2 enters the RAS 7 'through an air inlet box 8' of the RAS 7 '(the box 8' can form the aforementioned housing structure according to the invention), is cooled in the RAS 7 'and leaves at the intake manifold 9'.
  • the exchange of heat between the hot air and the coolant L, circulated in the RAS 7 'by a remotely actuated pump 11, is produced in this example by a stack of plates 12 defining between them alternate circulation for charge air and liquid L.
  • PA66GF50 a PA66 polyamide reinforced with glass fibers named "PA66GF50” according to a mass fraction of these fibers of 50% in the material, with the result that a shock resistance close to 100 is obtained, thus very satisfactory;
  • these materials of the invention based on a PPS + TPE alloy can be used from the point of view of the resistance to pressure variations in a SAR, and in particular to form the plastic injection-molded wall of a air intake box.
  • Ryton® XE5030BL (2% TPE-containing materials (left diamond), 4% (median rhombus) and 7% (right rhombus) by mass and glass fibers by 30% by weight), with a slight reduction of the mechanical strength with respect to the only PPS but which remains acceptable for less than 7% by weight of TPE in the material for use in a SAR (see the horizontal line Lim defining the acceptable mechanical strength limit in a SAR) .
  • these materials of the invention with less than 7% by weight of TPE in a material based on PPS + TPE can be used from the point of view of the mechanical resistance to heat in a SAR, and in particular to form the plastic wall injected from a charge air intake box.
  • test pieces of the invention made of a material based on said Ryton® XE5030BL alloy (with a mass fraction of TPE in the material of between 2% and 7%) and containing 30% by weight of fibers of glass.
  • modulus M1 and the tensile strength R1 of the "control" test pieces based on PA66 are insufficient after aging at 210 ° C. after 2000 hours, and that on the contrary the formula M2 and the tensile strength R2 specimens according to the invention based on the alloy PPS + TPE remain very high after 1000 hours and are absolutely not degraded even after 2000 hours of aging at 230 ° C.
  • the materials according to the invention are clearly usable in replacement of metallic materials in a RAS 7, 7 'and in particular to form the plastic wall of a charge air intake box 8, 8' usual to temperatures equal to or even greater than 230 ° C, because of the preservation of their mechanical properties after this thermo-oxidative aging.

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Abstract

L'invention concerne une structure de boîtier pour un échangeur de chaleur, un conduit d'admission d'un fluide dans l'échangeur, une boîte d'entrée d'air de suralimentation pour un refroidisseur d'air de suralimentation d'un véhicule automobile à moteur thermique à combustion interne suralimenté, un tel refroidisseur comprenant cette boîte et un circuit d'air de suralimentation pour ce véhicule l'incorporant. La structure de boîtier (8) comprend une paroi (8a) dont au moins une partie est formée d'un matériau plastique comprenant une matrice thermoplastique et une charge renforçante, et elle est telle que la matrice thermoplastique comprend : - un polysulfure de phénylène (PPS) présent dans le matériau plastique selon une fraction massique égale ou supérieure à 40 % et - au moins un élastomère présent dans le matériau plastique selon une fraction massique inclusivement comprise entre 2 % et 10 %.

Description

STRUCTURE DE BOITIER ET CONDUIT D'ADMISSION POUR ECHANGEUR DE CHALEUR
La présente invention concerne une structure de boîtier pour un échangeur de chaleur, un conduit d'admission d'un fluide dans cet échangeur, une boîte d'entrée d'air de suralimentation pour un refroidisseur d'air de suralimentation d'un véhicule automobile à moteur thermique à combustion interne suralimenté, ce refroidisseur comprenant cette boîte et un circuit d'air de suralimentation pour un tel véhicule l'incorporant. L'invention s'applique en particulier à un tel refroidisseur mais de manière plus générale à tout échangeur thermique véhiculant un fluide à une température pouvant être égale ou supérieure à 220°C.
Dans le domaine des moteurs thermiques à combustion interne suralimentés, il est connu de refroidir l'air d'admission issu d'un turbocompresseur, dans un circuit d'air de suralimentation, par un refroidisseur d'air de suralimentation (RAS en abrégé ci-après, « CAC » en anglais pour « charge air cooler ») disposé en amont des cylindres de combustion du moteur. Le RAS a pour effet de réduire la température très élevée du fait de la compression de l'air de suralimentation qui y parvient via une boîte d'entrée d'air de suralimentation formant un collecteur d'entrée d'air. L'abaissement de la température de l'air en sortie du RAS au niveau de la boîte de sortie d'air de suralimentation (formant un collecteur d'admission d'air pour le moteur) permet de réduire les risques d'auto-allumage et d'améliorer le rendement de la combustion.
Les RAS sont généralement des échangeurs de chaleur de type air/air ou air/liquide qui sont le siège de contraintes sévères, notamment d'un point de vue thermique du fait de l'utilisation cyclique du turbocompresseur en fonction du régime du moteur qui se traduit par une augmentation de la pression et de la température de l'air de suralimentation à chaque sollicitation du turbocompresseur. Ces augmentations de température sont caractérisées par des pics de température de cet air pouvant monter jusqu'à 250° C et imposent d'utiliser des matériaux résistant à ces très hautes températures, des épaisseurs de tels matériaux suffisamment élevées pour la tenue mécanique des parois des structures correspondantes des RAS (telles que les boîtes d'entrée d'air de suralimentation et notamment les parois de leurs conduits véhiculant l'air à ces températures pouvant varier de 220° C à 250° C) et également l'utilisation de RAS de grande s dimensions afin de favoriser le transfert de chaleur entre ces hautes températures et l'air ou le liquide (typiquement de l'eau glycolée) de refroidissement.
Or, les normes européennes relatives aux niveaux de pollution automobile sont de plus en plus contraignantes, avec notamment à l'horizon 2020 un objectif de limiter les émissions de CO2 à seulement 95 g par km. Un moyen de réduire d'une manière significative ces émissions est de diminuer la masse des structures utilisées dans les circuits automobiles. Ainsi, on a cherché ces dernières années à remplacer les matériaux métalliques (e.g. en aluminium) utilisés pour les boîtes ou réservoirs des RAS par des matériaux plastiques moulés de masse volumique nettement inférieure. On peut par exemple citer l'utilisation connue, pour former la paroi d'une boîte de RAS destinée à véhiculer l'air de suralimentation à une température allant jusqu'à 220°C, de matériaux plastiques à base d'une matric e thermoplastique moulée en polyamide 66 (PA 66), de polyamide 46 (PA46) ou de polyphtalamide (PPA) à chaque fois renforcé par des fibres de verre. La fraction massique des fibres de verre dans ces matériaux à base de PA66, PA46 ou de PPA peut varier de 30 % à 50 %, en fonction de la température d'utilisation (incluant sa valeur nominale continue et ses pics) et de la variation de pression à l'intérieur de la boîte, i.e. des caractéristiques mécaniques requises pour chaque utilisation.
Un inconvénient majeur de ces matériaux plastiques connus réside dans le fait que leur température d'utilisation ne doit pas excéder 220°C, vu que cette valeur de température constitu e leur limite d'utilisation en raison de leur vieillissement thermo-oxydant à des températures supérieures à 220°C, voire même de 200°C, températures qui le s dégradent en réduisant leurs propriétés mécaniques. Il en résulte que les boîtes de RAS constituées de ces matériaux plastiques à base de PA66, PA46 et de PPA ne sont plus capables d'exercer leur fonction de tenue mécanique à ces températures élevées. En effet, on a mis en évidence à ces températures élevées une forte dégradation radicalaire de ces polyamides qui est activée par la température de l'air très chaud et contrôlée par la diffusion de l'oxygène, et qui se traduit par des ruptures de chaînes polymériques au niveau des groupes amides et par la formation de groupes carbonyles.
C'est la raison pour laquelle on a cherché récemment à utiliser dans des RAS des matériaux plastiques à base d'autres polymères thermoplastiques qui ne soient pas susceptibles d'être dégradés par ce vieillissement oxydant notamment à plus de 220° C, tels que des polysulfures de phénylène (PPS) renforcés par des fibres de verre. En effet, les PPS sont connus pour résister à ces températures sans perte de leurs propriétés mécaniques et pour présenter, en plus d'une stabilité dimensionnelle élevée, une inertie chimique et des propriétés ininflammables et d'auto-extinction les rendant utilisables au sein de véhicules automobiles notamment dans des alternateurs et des dispositifs de petite taille tels que des composants électroniques, actuateurs, capteurs et systèmes électriques.
Or, une boîte de RAS se différencie de ces applications connues, notamment en ce qu'elle doit résister à des variations de pression de l'air de suralimentation pouvant aller jusqu'à 4.105 Pa et parfois plus à l'intérieur du RAS en raison de l'utilisation cyclique précitée du turbocompresseur, et en ce qu'elle ne requiert pas d'inertie chimique (du fait de l'absence de réaction avec un milieu fortement réactif), ni de stabilité dimensionnelle du fait de son procédé de fabrication (typiquement par sertissage) utilisant des variations dimensionnelles du matériau de la boîte.
Malheureusement, le PPS est connu pour être fragile et ne pas résister à de telles variations de pression de 4.105 Pa, ce qui ne le rend donc pas utilisable pour constituer la matrice thermoplastique d'un matériau de boîte de RAS. Un but de la présente invention est de proposer une structure de boîtier pour un échangeur de chaleur qui remédie à ces inconvénients, et ce but est atteint en ce que la Demanderesse vient de découvrir de manière inattendue que le mélangeage d'un PPS et d'un élastomère selon un ratio massique PPS/ élastomère égal ou supérieur à 4 permet d'obtenir une matrice thermoplastique qui, combinée à l'utilisation d'une charge renforçante, conduit à l'obtention d'un matériau plastique qui présente à la fois une résistance satisfaisante à des températures supérieures à 220° C et à des variations de pression de 4.105 Pa et qui est donc utilisable pour constituer au moins en partie une paroi de la structure de boîtier.
En d'autres termes, une structure de boîtier pour un échangeur de chaleur selon l'invention, la structure de boîtier comprenant une paroi dont au moins une partie est formée d'un matériau plastique comprenant une matrice thermoplastique et une charge renforçante, est telle que ladite matrice thermoplastique comprend :
- un polysulfure de phénylène (PPS) présent dans le matériau plastique selon une fraction massique égale ou supérieure à 40 %, et
- au moins un élastomère présent dans le matériau plastique selon une fraction massique inclusivement comprise entre 2 % et 10 %.
On notera que les fractions massiques respectives x et y de
PPS et d'élastomère(s) dans le matériau, qui sont définies par x = mx /
(mx+my+mz) et y = my / (mx+my+mz) où mx, my et mz sont respectivement les masses de PPS, d'élastomère(s) et de charge renforçante dans ce matériau avec x > 40 % et 2 % < y < 10 %, donnent pour le ratio massique PPS/ élastomère(s) la plage précitée mx / my > 4.
Par « structure de boîtier », on entend dans la présente description tout élément structurel d'une boîte, réservoir, enveloppe ou autre sous-ensemble d'un échangeur de chaleur, tel qu'un RAS, s'agissant ici préférentiellement (mais pas exclusivement) d'une boîte d'entrée d'air de suralimentation pour un RAS.
Par « PPS », on entend ici de manière connue un polysulfure de phénylène caractérisé par la liaison dans son unité de répétition d'un groupe aromatique à un atome de soufre et présentant un point de fusion compris entre 285° C et 290° C, un PPS utilisable s elon l'invention pouvant être illustré par la formule suivante :
Figure imgf000007_0001
La matrice thermoplastique selon l'invention présente ainsi :
- une stabilité satisfaisante à des températures pouvant varier de 225° C à 250° C qui caractérisent le fluide cire ulant à l'intérieur de ladite paroi et qui sont connues pour dégrader les polyamides PA66, PA46 ou PPA par le vieillissement thermo-oxydant précité, grâce au PPS utilisé majoritairement en masse dans la matrice, et
- une excellente capacité d'absorption des variations de pression inhérentes à la circulation de ce fluide (par exemple dues à des pulsations de l'air de suralimentation dans le cas d'une boîte d'entrée d'air d'un RAS), cette capacité d'absorption assimilable à une « respiration » du matériau selon l'invention étant procurée par l'élastomère mélangé au PPS qui confère de l'élasticité à la matrice en compensant la fragilité du PPS vis-à- vis de ces variations de pression.
On notera que la combinaison de ces deux polymères aux propriétés contradictoires (i.e. le PPS utilisé pour sa tenue mécanique élevée aux hautes températures et l'élastomère qui au contraire pourrait pénaliser cette tenue mécanique) n'était pas suggérée par l'art antérieur relatif aux échangeurs de chaleur, tels que des RAS, et procure pour le matériau de paroi selon l'invention un effet de synergie particulièrement avantageux résidant dans cette absorption des variations de pression par la paroi tout en améliorant sa tenue mécanique à des températures supérieures à 220°C.
On notera également que ce matériau plastique selon l'invention, qui est avantageusement moulé par injection pour l'obtention de la paroi de la structure de boîtier souhaitée (l'injection permettant l'obtention de géométries complexes pour cette structure), est ainsi utilisable en remplacement des matériaux métalliques constituant à ce jour les différentes parties d'échangeurs de chaleur et notamment les boîtes ou collecteurs d'entrée de fluide tels que de l'air de suralimentation pour les RAS, permettant de réduire de manière significative la masse de ces échangeurs notamment dans les véhicules automobiles et donc de limiter les émissions de C02 par ces derniers.
De préférence, ledit au moins un élastomère est choisi parmi les caoutchoucs vulcanisés et les élastomères thermoplastiques (TPE), ladite matrice thermoplastique formant :
(i) un élastomère thermoplastique de type vulcanisât thermoplastique (TPV) lorsque ledit au moins un élastomère est un caoutchouc vulcanisé qui est dispersé dans ledit polysulfure de phénylène, ou
(ii) un alliage de polymères thermoplastiques lorsque ledit au moins un élastomère est un élastomère thermoplastique (TPE) mélangé audit polysulfure de phénylène.
A titre de caoutchoucs utilisables dans le cas (i) pour former ledit TPV par mélangeage avec le PPS, on peut citer tout caoutchouc usuel susceptible d'être dispersé par mélangeage dans le PPS pour améliorer la résistance aux chocs du PPS, comme par exemple les polyorganosiloxanes, les copolymères éthylène-propylène (EPM), les copolymères éthylène-butane, les terpolymères éthylène-propylène-diène (EPDM), les copolymères styrène- butadiène-styrène (SBS) et les copolymères éthylène-acide (méth)acrylique (AEM).
On notera que dans le cas (i), ledit élastomère de type caoutchouc est incorporé par voie mécanique sous la forme d'une phase élastomère vulcanisée formée de très petites particules de caoutchouc dispersées lors de l'étape de mélangeage du matériau dans la base thermoplastique constituée du PPS après polymérisation de ce dernier, avec l'ensemble des additifs incluant la charge renforçante.
A titre de TPE utilisables dans le cas (ii) pour former ledit alliage de polymères thermoplastiques avec le PPS, on peut citer tout TPE susceptible d'être compatible avec le PPS, comme par exemple :
- les copolyamides (COPA), de préférence choisis parmi les poly(éther bloc amide) (PEBA) et les poly(ester bloc amide), et
- les copolymères éther-ester (COPE). Avantageusement pour ce cas (ii), on peut utiliser à titre d'alliage PPS+TPE ceux commercialisés par Chevron Phillips sous la dénomination générique Ryton®, comme par exemple l'alliage Ryton® de grade XE5030 ou XE5430 et de manière générale les grades Xtel XE.
On notera que dans les deux cas (i) et (ii) précités, on peut mettre en œuvre le matériau obtenu suivant les techniques usuelles de moulage par injection de matériaux thermoplastiques.
Avantageusement, ladite charge renforçante peut être présente dans ledit matériau plastique selon une fraction massique inclusivement comprise entre 10 % et 50 %.
Egalement avantageusement, ladite charge renforçante peut être choisie parmi les fibres organiques, les fibres inorganiques, les billes organiques, les billes inorganiques et un mélange desdites fibres et/ou desdites billes.
Encore plus avantageusement, ladite charge renforçante peut comprendre des fibres de verre et/ou des fibres de carbone, ladite charge pouvant comprendre optionnellement en outre du mica.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, ladite charge renforçante comprend des fibres de verre selon une fraction massique dans ledit matériau plastique inclusivement comprise entre 25 % et 50 %.
Conformément à un exemple selon l'invention de ce premier mode, ledit PPS est présent dans ledit matériau plastique selon une fraction massique inclusivement comprise entre 40 % et 68 % (de préférence entre 42 % et 53 %), les fibres de verre étant de préférence présentes dans ledit matériau selon une fraction massique inclusivement comprise entre 30 % et 40 %. Quant audit élastomère, il est alors de préférence présent dans ledit matériau selon une fraction massique inclusivement comprise entre 2 % et 7 %, notamment dans le cas (ii) précité où ledit élastomère est un TPE.
Selon un second mode de réalisation de l'invention, la charge renforçante comprend des fibres de carbone selon une fraction massique dans ledit matériau plastique inclusivement comprise entre 10 % et 40 %. Conformément à un exemple selon l'invention de ce second mode, ledit PPS est présent dans ledit matériau plastique selon une fraction massique inclusivement comprise entre 40 % et 88 %, lesdites fibres de carbone étant de préférence présentes dans ledit matériau plastique selon une fraction massique inclusivement comprise entre 10 % et 20 %.
Avantageusement, ladite matrice thermoplastique peut comprendre en outre au moins un polymère thermoplastique non élastomère choisi parmi les polyaryléthercétones (PAEK), les polyétheréthercétones (PEEK), les polyéthercétonecétones (PEKK), les polyimides (PI), les polyamide-imides (PAI) et les mélanges d'au moins deux de ces polymères.
Egalement avantageusement, ledit matériau plastique peut comprendre en outre une charge non renforçante qui comprend de préférence du talc.
Selon un autre aspect de l'invention, ladite au moins une partie de ladite paroi constituée dudit matériau plastique peut former un conduit apte à véhiculer un fluide circulant dans l'échangeur à une température égale ou supérieure à 220°C pouvant at teindre 250°C.
Un conduit d'admission selon l'invention d'un fluide dans un échangeur de chaleur, le conduit étant apte à véhiculer le fluide à une température égale ou supérieure à 220° C et pouvant atteindre 250° C et étant défini par une paroi formée d'un matériau plastique comprenant une matrice thermoplastique et une charge renforçante, est tel que ladite matrice thermoplastique comprend :
- un PPS présent dans ledit matériau plastique selon une fraction massique égale ou supérieure à 40 % et
- au moins un élastomère choisi parmi les caoutchoucs vulcanisés et les TPE et présent dans ledit matériau plastique selon une fraction massique inclusivement comprise entre 2 % et 10 %.
Une boîte d'entrée d'air de suralimentation selon l'invention pour un RAS de type air/air ou air/liquide, le RAS étant monté entre un turbocompresseur et des cylindres de combustion d'un véhicule automobile à moteur thermique à combustion interne suralimenté et étant adapté pour refroidir l'air d'admission du moteur, est telle que la boîte est constituée d'une structure de boîtier telle que définie ci-dessus et comprend ledit matériau plastique dans toute ou partie de ladite paroi formant la boîte.
Avantageusement, la boîte est apte à véhiculer ledit air de suralimentation à une température égale ou supérieure à 220° C et de préférence inclusivement comprise entre 225°C et 2 50°C.
Un RAS selon l'invention de type air/air ou air/liquide qui est destiné à être monté entre au moins un turbocompresseur et des cylindres de combustion d'un véhicule automobile à moteur thermique à combustion interne suralimenté et qui est adapté pour refroidir l'air d'admission du moteur, le RAS comprenant une boîte d'entrée d'air de suralimentation, est tel que ladite boîte est telle que définie ci-dessus.
Un circuit d'air de suralimentation selon l'invention pour véhicule automobile à moteur thermique à combustion interne suralimenté, le circuit étant formé d'une boucle comprenant :
- au moins un turbocompresseur,
- des cylindres de combustion du moteur, et
- un RAS de type air/air ou air/liquide qui est monté entre ledit turbocompresseur et lesdits cylindres de combustion et qui est adapté pour refroidir l'air admis dans lesdits cylindres,
est tel que le RAS est tel que défini ci-dessus.
D'autres caractéristiques, avantages et détails de la présente invention ressortiront à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation de l'invention, donnés à titre illustratif et non limitatif, la description étant réalisée en référence aux dessins joints, parmi lesquels :
la figure 1 est une vue schématique d'un exemple de circuit d'air de suralimentation selon l'invention,
la figure 2 est une vue en perspective d'une boîte d'entrée d'air de suralimentation selon l'invention utilisable dans un RAS de type air-air inclus dans le circuit de la figure 1 , la figure 3 est une vue schématique d'un RAS de type air- liquide selon l'invention également utilisable dans le circuit de la figure 1 ,
la figure 4 est un graphique comparant les résistances aux chocs, mesurées de 0 à 100, de matériaux renforcés par des fibres de verre et respectivement à base d'un TPE, d'un PA66, d'un PPS et de trois matériaux selon l'invention,
la figure 5 est un graphique comparant les tenues en traction respectives à 210° C, mesurées de 0 à 100, de ces m atériaux renforcés par des fibres de verre et respectivement à base d'un TPE, d'un PA66, d'un PPS et de ces trois matériaux selon l'invention, et
la figure 6 est un graphique comparant l'évolution de propriétés mécaniques (en ordonnée, mesurées de 0 à 300 % par rapport à un état initial) en termes de modules et de résistance à la traction, de deux matériaux renforcés par des fibres de verre respectivement à base d'un PA66 et d'un matériau selon l'invention, en fonction du nombre d'heures de vieillissement à 210°C (en abscisse).
Le circuit d'air de suralimentation 1 de la figure 1 comprend un turbocompresseur 2 qui, sous l'action des gaz d'échappement recueillis en sortie d'un collecteur d'échappement 3 du moteur, comprime l'air qui est destiné aux cylindres de combustion 4 de ce moteur et qui est recueilli par un conduit d'admission d'air 5. L'air de suralimentation chaud ainsi comprimé, qui est usuellement chargé d'huile du moteur, passe ensuite via une conduite 6 dans un refroidisseur d'air de suralimentation (RAS) 7 monté entre le turbocompresseur 2 et les cylindres de combustion 4.
Comme visible à la figure 2, le RAS 7 comporte une boîte d'entrée d'air de suralimentation 8 pouvant former la structure de boîtier précitée selon l'invention à paroi 8a formant un conduit 8b, dans lequel débouche l'air chaud de suralimentation circulant dans la conduite 6 pour être distribué dans le RAS 7. Le RAS 7 reçoit un second fluide caloporteur qui est destiné à refroidir l'air de suralimentation distribué dans des surfaces d'échange thermique du RAS 7 et qui est constitué d'air froid (dans le cas d'un RAS 7 à air) ou d'un liquide de refroidissement L, tel que de l'eau glycolée (dans le cas d'un RAS 7' à eau tel que celui visible à la figure 3).
Le RAS 7 comporte également, en sortie de ces surfaces d'échange, une boîte de sortie d'air de suralimentation 9 qui collecte l'air refroidi venant de ces surfaces et le guide vers une conduite 10 l'amenant dans les cylindres de combustion 4.
De manière connue, les surfaces d'échange thermique entre l'air de suralimentation et le second fluide caloporteur peuvent comprendre des tubes plats dans lesquels circule le second fluide et entre lesquels passe l'air de suralimentation, ou bien un empilement de plaques communicantes dans lesquelles circule le second fluide entre une entrée et une sortie de fluide et l'air de suralimentation dans l'espace entre les plaques. L'entrée et la sortie du second fluide caloporteur peuvent être reliées à un circuit de régulation de température, dit basse température, comme par exemple un circuit de climatisation du véhicule automobile.
Le RAS air-liquide 7' illustré à la figure 3 (« WCAC » en abrégé en anglais pour « water charge air cooler ») est ici destiné à distribuer l'air refroidi vers des conduits d'admission de la culasse du moteur du véhicule automobile par un collecteur d'admission 9' fixé au RAS 7'. L'air chaud comprimé provenant du turbo compresseur 2 pénètre dans le RAS 7' par une boîte d'entrée d'air 8' du RAS 7' (la boîte 8' pouvant former la structure de boîtier précitée selon l'invention), est refroidi dans le RAS 7' et en sort au niveau du collecteur d'admission 9'. L'échange de chaleur entre l'air chaud et le liquide de refroidissement L, mis en circulation dans le RAS 7' par une pompe 11 actionnée à distance, est réalisé dans cet exemple par un empilement de plaques 12 déterminant entre elles des canaux de circulation alternés pour l'air de suralimentation et le liquide L.
On a procédé à des essais « témoin » et selon l'invention portant sur des éprouvettes de divers matériaux dont les résultats sont illustrés aux figures 4 à 6. Comme visible à la figure 4 rendant compte d'essais de résistance aux chocs (i.e. aux impacts), on a testé des éprouvettes réalisées :
- en un TPE, avec comme résultat obtenu une absence de cassure due à l'élasticité du TPE ;
- en un polyamide PA66 renforcé par des fibres de verre de dénomination « PA66GF50 » selon une fraction massique de ces fibres de 50 % dans le matériau, avec comme résultat obtenu une résistance aux chocs proche de 100 donc très satisfaisante ;
- en un PPS renforcé par des fibres de verre selon une fraction massique des fibres de 30 % dans le matériau, avec l'obtention d'une résistance aux chocs insuffisante en vue de l'utilisation de ce matériau dans un RAS (voir la droite horizontale Lim définissant la limite de résistance aux chocs acceptable pour un RAS) ; et
- en trois matériaux selon l'invention à base d'alliages PPS+TPE commercialisés sous forme de granulés par Chevron Phillips sous le nom Ryton® XE5030BL, ces matériaux contenant le TPE selon des fractions massiques respectives de 2 % (losange le plus à gauche des trois selon l'invention), 4 % (losange médian) et 7 % (losange le plus à droite des trois selon l'invention) et des fibres de verre selon une fraction massique de 30 %, avec comme résultat obtenu une amélioration de la résistance aux chocs par rapport à la matrice thermoplastique constituée du seul PPS et qui est maximale pour 7 % en masse de TPE dans le matériau (voir l'écart avec la droite Lim).
Il en résulte que ces matériaux de l'invention à base d'un alliage PPS+TPE sont utilisables du point de vue de la résistance aux variations de pression dans un RAS, et en particulier pour former la paroi plastique moulée par injection d'une boîte d'entrée d'air de suralimentation.
Comme visible à la figure 5 rendant compte d'essais de traction à 210°C, on a testé ces mêmes éprouvettes réalisées :
- en ledit TPE, avec une absence de tenue mécanique obtenue ; - en ledit matériau « PA66GF50 », avec une tenue mécanique obtenue satisfaisante ;
- en ledit PPS renforcé par 30 % en masse de fibres de verre, avec une tenue mécanique obtenue acceptable ; et
- en lesdits matériaux selon l'invention à base des alliages
Ryton® XE5030BL (matériaux contenant le TPE selon 2 % (losange de gauche), 4 % (losange médian) et 7 % (losange de droite) en masse et des fibres de verre selon 30 % en masse), avec une légère réduction de la tenue mécanique par rapport au seul PPS mais qui reste acceptable pour moins de 7 % en masse de TPE dans le matériau en vue d'une utilisation dans un RAS (voir la droite horizontale Lim définissant la limite de tenue mécanique acceptable dans un RAS).
Il en résulte que ces matériaux de l'invention avec moins de 7 % en masse de TPE dans un matériau à base de PPS+TPE sont utilisables du point de vue de la tenue mécanique à chaud dans un RAS, et en particulier pour former la paroi plastique injectée d'une boîte d'entrée d'air de suralimentation.
Comme visible à la figure 6 rendant compte d'essais de traction (propriétés mécaniques présentées de 0 à 300 % par rapport à l'état initial) suite à un vieillissement thermo-oxydant dans les conditions suivantes (voir la droite horizontale Lim définissant la limite de module et de résistance à la traction acceptables dans un RAS) :
- à 210° C pour des éprouvettes « témoin » réalisée s en le matériau précité de dénomination « PA66GF50 », et
- à 230° C pour des éprouvettes de l'invention réal isées en un matériau à base dudit alliage Ryton® XE5030BL (avec une fraction massique de TPE dans le matériau comprise entre 2 % et 7 %) et contenant 30 % en masse de fibres de verre.
On voit que le module M1 et la résistance à la traction R1 des éprouvettes « témoin » à base de PA66 sont insuffisants après vieillissement à 210° C après 2000 heures, et qu'au contraire le m odule M2 et la résistance à la traction R2 des éprouvettes selon l'invention à base de l'alliage PPS+TPE restent très élevés après 1000 heures et ne sont absolument pas dégradés même après 2000 heures de vieillissement à 230°C.
Par conséquent, les matériaux selon l'invention sont clairement utilisables en remplacement des matériaux métalliques dans un RAS 7, 7' et en particulier pour former la paroi plastique d'une boîte d'entrée d'air de suralimentation 8, 8' usuels à des températures égales ou même supérieures à 230° C, du fait de la conservation de leurs propriétés mécaniques après ce vieillissement thermo-oxydant.

Claims

REVENDICATIONS
1 ) Structure de boîtier (8, 8') pour un échangeur de chaleur (7, 7'), la structure de boîtier comprenant une paroi (8a) dont au moins une partie est formée d'un matériau plastique comprenant une matrice thermoplastique et une charge renforçante, caractérisée en ce que ladite matrice thermoplastique comprend :
- un polysulfure de phénylène (PPS) présent dans ledit matériau plastique selon une fraction massique égale ou supérieure à 40 % et
- au moins un élastomère présent dans ledit matériau plastique selon une fraction massique inclusivement comprise entre 2 % et 10 %.
2) Structure de boîtier (8, 8') selon la revendication 1 , dans laquelle ledit au moins un élastomère est choisi parmi les caoutchoucs vulcanisés et les élastomères thermoplastiques (TPE), ladite matrice thermoplastique formant :
- un élastomère thermoplastique de type vulcanisât thermoplastique (TPV) lorsque ledit au moins un élastomère est un caoutchouc vulcanisé qui est dispersé dans ledit polysulfure de phénylène, ou
- un alliage de polymères thermoplastiques lorsque ledit au moins un élastomère est un élastomère thermoplastique (TPE) mélangé audit polysulfure de phénylène. 3) Structure de boîtier (8, 8') selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle ladite charge renforçante est présente dans ledit matériau plastique selon une fraction massique inclusivement comprise entre 10 % et 50 %. 4) Structure de boîtier (8, 8') selon une des revendications 1 à
3, dans laquelle ladite charge renforçante est choisie parmi les fibres organiques, les fibres inorganiques, les billes organiques, les billes inorganiques et un mélange desdites fibres et/ou desdites billes.
5) Structure de boîtier (8, 8') selon la revendication 4, dans laquelle ladite charge renforçante comprend des fibres de verre et/ou des fibres de carbone, ladite charge comprenant optionnellement en outre du mica.
6) Structure de boîtier (8, 8') selon la revendication 5, dans laquelle ladite charge renforçante comprend des fibres de verre selon une fraction massique dans ledit matériau plastique inclusivement comprise entre 25 % et 50 %.
7) Structure de boîtier (8, 8') selon la revendication 6, dans laquelle ledit polysulfure de phénylène est présent dans ledit matériau plastique selon une fraction massique inclusivement comprise entre 40 % et 68 %, lesdites fibres de verre étant de préférence présentes dans ledit matériau plastique selon une fraction massique inclusivement comprise entre 30 % et 40 %. 8) Structure de boîtier (8, 8') selon la revendication 5, dans laquelle ladite charge renforçante comprend des fibres de carbone selon une fraction massique dans ledit matériau plastique inclusivement comprise entre 10 % et 40 %. 9) Structure de boîtier (8, 8') selon la revendication 8, dans laquelle ledit polysulfure de phénylène est présent dans ledit matériau plastique selon une fraction massique inclusivement comprise entre 40 % et 88 %, lesdites fibres de carbone étant de préférence présentes dans ledit matériau plastique selon une fraction massique inclusivement comprise entre 10 % et 20 %. 10) Structure de boîtier (8, 8') selon une des revendications précédentes, dans laquelle ladite matrice thermoplastique comprend en outre au moins un polymère thermoplastique non élastomère choisi parmi les polyaryléthercétones (PAEK), les polyétheréthercétones (PEEK), les polyéthercétonecétones (PEKK), les polyimides (PI), les polyamide-imides (PAI) et les mélanges d'au moins deux de ces polymères.
11 ) Structure de boîtier (8, 8') selon une des revendications précédentes, dans laquelle ledit matériau plastique comprend en outre une charge non renforçante qui comprend de préférence du talc.
12) Structure de boîtier (8, 8') selon une des revendications précédentes, dans laquelle ladite au moins une partie de ladite paroi (8a) constituée dudit matériau plastique forme un conduit (8b) apte à véhiculer un fluide circulant dans l'échangeur (7, 7') à une température égale ou supérieure à 220°C pouvant atteindre 250°C.
13) Conduit (8b) d'admission d'un fluide dans un échangeur de chaleur (7, 7'), le conduit étant apte à véhiculer le fluide à une température égale ou supérieure à 220° C et étant défini par un e paroi (8a) formée d'un matériau plastique comprenant une matrice thermoplastique et une charge renforçante, caractérisé en ce que ladite matrice thermoplastique comprend :
- un polysulfure de phénylène (PPS) présent dans ledit matériau plastique selon une fraction massique égale ou supérieure à 40 % et
- au moins un élastomère choisi parmi les caoutchoucs vulcanisés et les élastomères thermoplastiques (TPE) et présent dans ledit matériau plastique selon une fraction massique inclusivement comprise entre 2 % et 10 %. 14) Boîte d'entrée d'air de suralimentation (8, 8') pour un refroidisseur d'air de suralimentation de type air/air (7) ou air/liquide (7'), ledit refroidisseur étant monté entre un turbocompresseur (2) et des cylindres de combustion (4) d'un véhicule automobile à moteur thermique à combustion interne suralimenté et étant adapté pour refroidir l'air d'admission du moteur, caractérisée en ce que la boîte est constituée d'une structure de boîtier selon une des revendications 1 à 12 et comprend ledit matériau plastique dans toute ou partie de ladite paroi (8a) formant la boîte.
15) Boîte d'entrée d'air de suralimentation (8, 8') selon la revendication 14, dans laquelle la boîte est apte à véhiculer ledit air de suralimentation à une température égale ou supérieure à 220° C et de préférence inclusivement comprise entre 225°C et 2 50°C.
1 6) Refroidisseur d'air de suralimentation de type air/air (7) ou air/liquide (7') qui est destiné à être monté entre au moins un turbocompresseur (2) et des cylindres de combustion (4) d'un véhicule automobile à moteur thermique à combustion interne suralimenté et qui est adapté pour refroidir l'air d'admission du moteur, le refroidisseur comprenant une boîte d'entrée d'air de suralimentation (8, 8'), caractérisé en ce que ladite boîte est selon la revendication 14 ou 15. 17) Circuit d'air de suralimentation (1 ) pour véhicule automobile à moteur thermique à combustion interne suralimenté, le circuit comprenant :
- au moins un turbocompresseur (2),
- des cylindres de combustion (4) du moteur, et
- un refroidisseur d'air de suralimentation de type air/air (7) ou air/liquide (7') qui est monté entre ledit turbocompresseur et lesdits cylindres de combustion et qui est adapté pour refroidir l'air admis dans lesdits cylindres,
caractérisé en ce que ledit refroidisseur est selon la revendication 1 6.
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