FR2840396A1 - Dispositif de protection d'un echangeur de chaleur contre la corrosion - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif pour protéger les parois en aluminium d'un échangeur de chaleur contre la corrosion par un milieu agressif auquel ses parois sont exposées. Le dispositif comprend au moins une réserve sacrificielle renouvelable (14) formée d'éléments, en particulier de zinc et/ ou de magnésium, aptes à abaisser au moins localement le potentiel électrochimique de l'aluminium des parois de l'échangeur de chaleur. La réserve sacrificielle peut être contenue soit dans l'échangeur de chaleur soit dans un circuit de fluide comprenant l'échangeur de chaleur. Application en particulier aux échangeurs de chaleur de véhicules automobiles.
Description
ondules (16) disposes entre les tubes (14) du faisceau.
Dispositif de protection d'un echangeur de chaleur contre la corrosion L' invention se rapporte au domaine des echangeurs de chaleur,
notamment pour les vehicules automobiles.
Wile concerne plus particulierement un dispositif pour proteger les parois en aluminium d'un echangeur de chaleur contre la corrosion par un milieu agressif auquel ces parois vent exposees. Par le terme "parois", on entend ici couvrir differents canaux de circulation qui incluent, de maniere non limitative, les tubes et les botes collectrices de lechangeur, ainsi que ses
tubulures de raccordement.
Le terme "aluminium', entend couvrir aussi bien l'aluminium en
tent que tel. que differents alliages de celui-ci.
De tels echangeurs de chaleur vent composes habituellement d'un faisceau de tubes raccordes a une ou plusieurs boites collectrices definissant un volume destine a etre parcouru par un fluide caloporteur, le plus souvent un liquide, qui peut
etre ou devenir corrosif.
Ces echangeurs vent parcourus habituellement par des liquides qui peuvent etre acides, neutres ou basiques, cest-a-dire dont
le pH est generalement compris entre 2 et 10.
Ceci est le cas notamment des echangeurs de chaleur en alliage leger utilises dans les vehicules automobiles. Ces echangeurs de chaleur comprennent, de maniere non limitative, les radiateurs de refroidissement du moteur, les radiateurs ou aerothermes destines au chauffage de l'habitacle et, de maniere i
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plus generale, tout echangeur de chaleur dans loquel circule un
liquide qui peut etre ou devenir corrosif.
Les consequences d'une telle corrosion vent particulibrement dommageables lorsque les parois de l'echangeur vent particulierement fines, comme ciest le cas notamment pour
certains tubes de l'echangeur.
I1 en resulte alors des risques de fuites qui peuvent compromettre le fonctionnement du moteur du vehicule ou
presenter un danger a l'egard des occupants du vehicule.
Differentes solutions ont deja ete proposees pour resoudre ce probleme et proteger les parois, notamment les tubes, en
aluminium contre la corrosion.
Jusquta present, pour proteger les tubes en aluminium contre la corrosion, il faut co-laminer, sur une bande en aluminium, une bande de protection capable de proteger l'aluminium, puis
former des tubes avant de les braser.
Ceci necessite d'appliquer une autre couche d'un alliage adequat, a savoir un alliage de brasure, sur l'autre face de la bande en aluminium, ctest-a-dire sur la face opposee a celle
portent la bande de protection.
Une telle protection est rendue possible en modifiant le potentiel electrochimique de la bande de protection en deca du potentiel electrochimique de l'aluminium, de maniere a conferer une protection cathodique. Ceci s'effectue en general par des
apports de zinc ou d'alliages zinc-aluminium ou magnesium-
aluminium ou zinc-aluminium-magnesium qui abaissent (c'est-a-
dire rendent plus electronegatifs) d' environ 30 a 200 milli-
volts le potentiel de l'alliage d'aluminium de la bande de
protection.
Cette solution connue necessite un co-laminage, ce qui complique les procedes de fabrication et augmente ltepaisseur des parois des tubes. De plus, cette solution exige une compatibilite entre la matiere de la bande de protection et celle de l'alliage de brasure. Une autre solution connue consiste a deposer du zinc par projection a chaud directement sur la bande daluminium, qui
sera ensuite conformee pour realiser un tube.
Une autre solution connue, applicable aux echangeurs non brases, consiste a co-extruder l'aluminium pour former des canaux ayant un alliage interieur qui se corrodera preferentiellement. On connat encore une autre solution qui consiste a mettre une cartouche de produits a base de silicate, soit dans l'echangeur de chaleur lui-meme, soit dans le circuit dont fait partie l'echangeur. Cette cartouche peut ainsi etre placee soit dans le radiateur de refroidissement du moteur, soit dans le circuit
de refroidissement lui-meme.
Toutes ces solutions connues presentent des inconvenients.
C,est le cas notamment des solutions dans lesquelles on applique un alliage, formant protection, sur les parois en aluminium. En effet, ces alliages qui se corrodent (par destination) ont tres souvent une epaisseur choisie egale a 10% de celle de la paroi en aluminium. Or, dans le cas ou la paroi en aluminium est fine, cet alliage ne represente pas une reserve de protection suffisante. Ceci est notamment le cas de milieux contenant de fortes quantites de chlorures (80 a 1000 ppm), de cuivre (1 a 30 ppm) en milieu neutre ou, a plus forte raison, en milieu acide (pH 2 a 6,5), voire alcalin (pH
7,5 a 11).
Une reponse a ce probleme est d' augmenter ltepaisseur de cet alliage sacrificial jusqu'a 20 ou 30% de liepaisseur de la paroi en aluminium. Cette solution se traduit par une augmentation de ltepaisseur globale de la paroi, sans garantir que cette epaisseur sera suffisante pour conferer la protection necessaire. Une autre reponse possible semble 8tre de modifier la teneur en element sacrificial, mais la encore ceci n'est pas bien maitrise puisque les pourcentages, par exemple de zinc, varient de 0, 8% a 5%, voire 15%. Avec de tels pourcentages, se posent des problemes de diffusion du zinc dans le cas d'echangeurs
brases et egalement de recyclabilite de ces alliages.
De plus, l'abaissement du potentiel de cette couche augmente particulierement sa vitesse de dissolution, des qutelle contient des fissures, des eraflures ou autres endommagements
permettant au liquide corrosif d'entrer en contact direct.
Par ailleurs, dans le cas de cartouches a base de produits de silicate, qui vent des inhibiteurs de la corrosion d'aluminium, la protection ntest plus assuree dans les milieux acides car le
silicate est instable et precipite sous forme de silice inerte.
L, invention a notamment pour but de surmonter les inconvenients cidessus en proposant un dispositif efficace pour proteger les parois en aluminium d'un echangeur de chaleur contre la
corrosion par un milieu agressif.
Wile vise en particulier a procurer un tel dispositif qui evite
le recours a un alliage anticorrosion applique, par exemple co-
lamine, sur les parois de tubes en aluminium.
Wile vise encore a procurer un tel dispositif de protection qui soit compatible avec tous types dechangeurs de chaleur, qu'il s'agisse d'echangeurs de chaleur brases, ou d'echangeurs de
chaleur obtenus par assemblage mecanique.
Lt invention propose a cet effet un dispositif de protection du type defini precedemment, lequel comprend au moins une reserve sacrificielle renouvelable formee d'elements apses a abaisser au moins localement le potentiel electrochimique de l'aluminium
des parois de l'echangeur de chaleur.
A titre d'exemple, ces elements peuvent comprendre du zinc
et/ou du magnesium.
Dans une forme de realisation, la reserve sacrificielle est contenue dans l'echangeur de chaleur. Cet echangeur de chaleur peut 8tre constitue, par exemple, par un radiateur de
refroidissement d'un moteur de vehicule automobile.
Dans une autre forme de realisation, la reserve sacrificielle est contenue dans un circuit de fluide qui comprend lechangeur de chaleur. I1 peut s'agir, par exemple, du circuit de
refroidissement dun moteur de vehicule automobile.
Cette reserve sacrificielle renouvelable est destinee a fournir un apport en elements, par exemple de zinc et/ou de magnesium, en une quantite bien superieure a la quantite theorique necessaire a la protection, en sorte que ces elements soient
sacrifies, ciest-a-dire disparaissent progressivement.
Par le terme renouvelable,, on entend designer ici une reserve
apte a 8tre rechargee en elements sacrificiels.
Comme ces elements vent presents en une quantite largement suffisante, la protection sera toujours assuree, sans risque
depuisement des elements constitutifs de la reserve.
Les elements en question comprennent avantageusement du zinc et/ou du magnesium. Dans ce cas, il pourra s'agir notamment d'alliages de zinc, d'alliages de magnesium ou encore
d'alliages de zinc et de magnesium.
La reserve sacrificielle peut etre presente sous differentes formes. Wile peut notamment etre presente sous la forme d'elements discrete, en particulier sous la forme d'une poudre, de granules, de grenaille, etc. Wile peut egalement se presenter sous la forme d'elements continus, en particulier sous la forme de plaques ou d' inserts,
ayant une epaisseur de 0,1 a 30 mm.
Les elements de la reserve sacrificielle vent avantageusement contenus dans un receptacle permeable au milieu agressif. Comme receptacle, on envisage en particulier un sachet ou une cartouche, avantageusement en acier inoxydable et/ou en matiere plastique, comportant des ouvertures de passage pour le milieu
agressif.
I1 est envisageable aussi que les elements de la reserve sacrificielle soient contenus dans un logement de l'echangeur
de chaleur, qui est expose au milieu agressif.
Dans une autre forme de realisation, les elements de la reserve sacrificielle vent contenus dans une peinture appliquee contre une paroi interne de ltechangeur de chaleur. Une telle peinture contiendra avantageusement plus de 80% en poids dextraits sees
des elements, en particulier de zinc et/ou de magnesium.
Selon un mode de realisation, la reserve sacrificielle est placee en un endroit choisi de lechangeur de chaleur. Wile peut etre contenue dans un reservoir, en particulier dans une bote collectrice, de lechangeur de chaleur. Wile peut aussi
etre contenue dans une tubulure de lechangeur de chaleur.
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Selon un autre mode de realisation, la reserve sacrificielle est contenue dans un circuit de fluide qui comprend l'echangeur
de chaleur.
Le dispositif de l' invention offre differents avantages par
rapport aux solutions connues de l'art anterieur.
L'un de ces avantages est de ne pas engendrer de probleme quelconque lors de la fabrication d'echangeurs de chaleur necessitant une operation de brasage et/ou d'assemblage mecanique. Un autre avantage est lie au fait que, plus le milieu sera agressif, notamment lors dun pH acide ou alcalin, plus la reserve sacrificielle se corrodera et apportera des ions des elements, par exemple de zinc et/ou de magnesium, a la surface
de l'aluminium, la ou il faut la proteger.
Sans vouloir se lier a une theorie particuliere, la presence de la reserve sacrificielle fait que cette derriere se corrode en premier lieu en apportant des ions des elements, par exemple de zinc et/ou de magnesium, a la surface de la paroi en aluminium,
la ou il faut la proteger.
Un autre avantage de l' invention est que tous les ions qui forment des micro-cathodes sur l'aluminium, done qui accelerent sa vitesse de corrosion, notamment sous forme de piqures, seront pieges par la reserve sacrificielle, car celle-ci possede un potentiel beaucoup plus electronegatif que les alliages decrits precedemment, utilises comme bande de
protection sur les tubes en aluminium.
Les ions qui forment des micro-cathodes sont, de facon non limitative, le fer, le cuivre, l'etain, l'argent, etc. Sous un autre aspect, l' invention concerne un echangeur de chaleur comprenant un dispositif de protection tel que defini ci-dessus. Wile concerne aussi un circuit de fluide comprenant un echangeur de chaleur et un dispositif de protection tel que
defini ci-dessus.
Dans la description qui suit, faite seulement a titre
d'exemple, on se refere aux dessins annexes, sur lesquels: - la Figure 1 represente une bote collectrice drechangeur de chaleur munie dune tubulure dans laquelle est place un dispositif de protection selon l' invention; la Figure 2 represente une partie dune bote collectrice d'echangeur de chaleur comportant un dispositif selon linvention realise sous la forme dun insert ou d'une cartouche; - la Figure 3 est une vue en coupe d'une bolte collectrice d'echangeur de chaleur dans laquelle est place un insert ou une cartouche de protection; et - la Figure 4 est une vue en coupe-d'une- bolte collectrice d'echangeur de chaleur comportant un dispositif de protection selon l' invention, realise sous la forme d'une peinture appliquee
sur la paroi interne de la bote collectrice.
On se refere d'abord a la Figure 1 qui montre une bote collectrice 10 dun echangeur de chaleur, en particulier de vehicule automobile, a laquelle se raccorde une tubulure 12
destinee a l' entree ou la sortie d'un liquide caloporteur.
A titre dexemple, la bote collectrice 10 peut faire partie d'un radiateur de refroidissement dun moteur de vehicule automobile, qui est parcouru par le liquide de refroidissement du moteur. Ce radiateur fait partie dun circuit de fluide, ici un circuit de refroidissement, qui est parcouru par le fluide
refroidissement precise.
Pour prevenir tout risque de corrosion, on prevoit, a l'interieur de la tubulure 12, une reserve sacrificielle 14 realisee ici sous la forme d'un insert tubulaire applique
contre la paroi interne de la tubulure 12.
Cet insert est forme d'une reserve sacrificielle renouvelable constituee d'elements apses a abaisser au moins localement le potentiel electrochimique de l'aluminium des parois de l'echangeur de chaleur. A titre d'exemple, cet insert peut etre forme de zinc et/ou de magnesium. I1 peut stagir en particulier d'un alliage de zinc, dun alliage de magnesium ou encore dun
alliage de zinc et de magnesium.
On se refere maintenant a la Figure 2 qui montre une bote collectrice 10 de configuration allongee, dans laquelle est
placee une autre reserve sacrificielle 16 selon l' invention.
Cette reserve 16 peut etre realisee sous la forme d'un insert applique contre la paroi interne de la bote collectrice, ou encore sous la forme d'une cartouche remplie d'elements
discrete, par exemple de granules.
Dans le cas d'elements de zinc et/ou de magnesium, on peut utiliser soit un insert en zinc et/ou magnesium, soit une
cartouche remplie de granules de zinc et/ou de magnesium.
On se refere maintenant a la Figure 3 qui montre une autre bote collectrice 10, a section en forme generale de U. d'un echangeur de chaleur. A l'interieur de la bolte collectrice, est placee une reserve sacrificielle 18 selon l' invention. Dans l'exemple, cette reserve est realisee sous la forme d'un insert ou d'une cartouche contenant des elements discrete, en particulier des granules. Comme dans le cas de la Figure 2, l' insert peut etre notamment a base de zinc et/ou d'aluminium, et la cartouche contenir notamment des granules de zinc et/ou
d'aluminium.
On se refere maintenant a la Figure 4 qui montre une autre bolte collectrice 10 d'echangeur de chaleur, egalement a section en forme generale de U. A l'interieur de la paroi en U. est appliquee une peinture 20 contenant de preference plus de 80% d'extraits sees d'elements de reserve sacrificielle, par exemple d'elements de zinc et/ou
de magnesium.
Dans le cas d'une cartouche comme montree aux Figures 2 et 3, celle-ci sera realisee en un materiau inoxydable, par exemple en acier inoxydable et/ou en matiere plastique, et comportera
des ouvertures de passage pour le milieu agressif.
Il doit ebtre entendu qu'au lieu d'utiliser une cartouche, on peut utiliser toute autre forme de receptacle, par exemple un sachet, offrant des ouvertures de passage pour le milieu agressif. Egalement, la reserve sacrificielle peut 8tre placee en tout autre endroit de l'echangeur de chaleur, par exemple dans des reservoirs, des excroissances ou autres logements que peut
definir un echangeur de chaleur.
En variante, la reserve sacrificielle peut etre placee dans un
circuit comprenant lechangeur de chaleur.
L' invention sera maintenant decrite en reference aux tests
comparatifs suivants.
Des tests comparatifs ont ete menes sur une boucle d'essai dans laquelle etait insere un echangeur de chaleur en alliage d'aluminium comportant des canaux (notamment des tubes) a paroi mince. Ces essais comparatifs ont ete realises avec et sans le
dispositif de l' invention.
Dans la boucle dessai, circulait un liquide caloporteur a une temperature d' environ 90 C, contenant environ 200 mg par litre (200 ppm) d' dons chlorure, 1 ppm d' dons cuivre et suffisamment
d' dons ferrite de maniere a abaisser le pH a environ 3.
On a utilise un dispositif de protection selon l' invention sous la forme de granules d' environ 3 a 5 mm de longueur et de 1,5 a 3 mm de largeur contenus dans un sachet en acier inoxydable
ayant des mailles d' environ 1 mm d'ouverture.
Ce sachet a ete place en un endroit approprie de lechangeur de
chaleur, de preference dans une bote collectrice.
Le test a ete realise pendant 500 heures. A l' expiration de ce temps d'essai, aucun percement de l'echangeur de chaleur n'a ete constate. Lt inspection de l i echangeur a permis de mettre en evidence des attaques dont la profondeur etait inferieure au micrometre, done non susceptibles de compromettre le bon
fonctionnement de l'echangeur de chaleur.
Le meme test, realise avec un echangeur de chaleur depourvu du dispositif de l' invention, a du etre arrete apres 100 heures
environ en raison de fuites par percement.
Revendic at ion s 1. Dispositif pour proteger les parois en aluminium d'un echangeur de chaleur contre la corrosion par un milieu agressif auquel ces parois vent exposees, caracterise en ce qu'il comprend au moins une reserve sacrificielle renouvelable (14, 16, 18, 20) formee d'elements apses a abaisser au moins localement le potentiel electrochimique de l'aluminium des parois de ltechangeur de chaleur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracterise en ce que
les elements comprennent du zinc et/ou du magnesium.
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2,
caracterise en ce que la reserve sacrificielle est presente sous la forme d' elements discrete, en particulier sous la forme
d'une poudre, de granules ou de grenaille.
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2,
caracterise en ce que la reserve sacrificielle est presente sous la forme d'elements continus, en particulier sous la forme
de plaques ou d' inserts.
5. Dispositif selon l'une des revendications 3 et 4,
caracterise en ce que les elements de la reserve sacrificielle
vent contenus dans un receptacle permeable au milieu agressif.
6. Dispositif selon la revendication 5, caracterise en ce que le receptacle est un sachet ou une cartouche, avantageusement en acier inoxydable et/ou en matiere plastique, comportant des
ouvertures de passage pour le milieu agressif.
7. Dispositif selon l'une des revendications 3 et 4,
caracterise en ce que les elements de la reserve sacrificielle vent contenus dans un logement de l'echangeur de chaleur, qui
est expose au milieu agressif.
8. Dispositif selon la revendication 1, caracterise en ce que les elements de la reserve sacrificielle vent contenus dans une peinture appliquee contre une paroi interne de l'echangeur de chaleur. 9. Dispositif selon la revendication 8, caracterise en ce que la peinture contient plus de 80% en poids dextraits sees des
elements, en particulier de zinc et/ou de magnesium.
10. Dispositif selon l'une des revendications 1 a 9,
caracterise en ce que la reserve sacrificielle est contenue dans un reservoir, en particulier dans une bote collectrice
(10) de l'echangeur de chaleur.
11. Dispositif selon l'une des revendications 1 a 9,
caracterise en ce que la reserve sacrificielle est contenue
dans une tubulure (12) de l'echangeur de chaleur.
12. Dispositif selon l'une des revendications 1 a 6,
caracterise en ce que la reserve sacrificielle est contenue
dans un circuit de fluide qui comprend l'echangeur de chaleur.
13. Echangeur de chaleur, en particulier de vehicule automobile, comprenant un dispositif de protection selon l'une
des revendications 1 a 11.
14. Circuit de fluide, en particulier circuit de refroidissement de vehicule automobile, comprenant un echangeur de chaleur et un dispositif de protection selon l'une des
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