FR2916525A1 - Aluminum alloy heat exchanger for cooling an exhaust gas of thermal motors of a vehicle, comprises two different circuits for exchanging heat between two fluids, where one of two fluids consists of an exhaust gas - Google Patents
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Abstract
Description
RFR0376RFR0376
Titre : Couche protectrice pour échangeur de chaleur 5 Title: Protective layer for heat exchanger 5
La présente invention se rapporte au domaine des échangeurs de chaleur pour véhicules automobiles destinés à échanger de la chaleur entre 10 deux fluides, et plus particulièrement aux échangeurs de chaleur en alliages d'aluminium utilisés pour refroidir les gaz d'échappement des moteurs thermiques de ces véhicules. The present invention relates to the field of heat exchangers for motor vehicles for exchanging heat between two fluids, and more particularly to heat exchangers made of aluminum alloys used to cool the exhaust gases of the combustion engines of these vehicles.
A l'heure actuelle, on connaît un circuit de recirculation de gaz 15 d'échappement du moteur thermique d'un véhicule automobile (communément appelé EGR pour Exhaust Gas Recirculation ) qui s'étend entre le circuit d'échappement du moteur thermique et le circuit d'admission et comprend généralement un échangeur thermique pour refroidir les gaz d'échappement, un canal de dérivation non refroidi, une vanne de by-pass 20 pour diriger sélectivement le flux gazeux dans l'échangeur de chaleur ou dans le conduit de dérivation, et une vanne de régulation pour régler le débit du flux gazeux dans le circuit de recirculation. At the present time, an exhaust gas recirculation circuit of the engine of a motor vehicle (commonly called EGR for Exhaust Gas Recirculation) is known which extends between the exhaust system of the engine and the engine. intake circuit and generally comprises a heat exchanger for cooling the exhaust gas, an uncooled bypass channel, a bypass valve 20 for selectively directing the gas stream into the heat exchanger or the bypass duct , and a control valve for adjusting the flow rate of the gas stream in the recirculation circuit.
Néanmoins, les circuits de recirculation de gaz d'échappement 25 évoluent en fonction des nouvelles réglementations relatives au dégagement de produits toxiques/nocifs dans l'atmosphère par les véhicules. Nevertheless, the exhaust gas recirculation circuits evolve according to the new regulations relating to the release of toxic / harmful products into the atmosphere by the vehicles.
Ainsi, dorénavant, l'EGR est placé dans le circuit de recirculation des gaz d'échappement après les filtres à particules, généralement placés dans 30 le pot d'échappement, servant à retenir un maximum de particules toxiques/nocives. Ces gaz d'échappement filtrés, formant comburant, sont 1 d'abord compressés puis renvoyés vers le moteur afin d'être consommés avec le carburant du véhicule. Préalablement et postérieurement à l'opération de compression de ces gaz d'échappement filtrés recirculant, ces derniers doivent être refroidis, tant pour autoriser une meilleure compression, c'est-à-dire présenter une densité de gaz optimum, que pour autoriser une meilleure combustion avec le carburant. Thus, from now on, the EGR is placed in the exhaust gas recirculation circuit after the particulate filters, generally placed in the muffler, serving to retain a maximum of toxic / harmful particles. These filtered exhaust gases, forming oxidant, are first compressed and then returned to the engine in order to be consumed with the vehicle fuel. Before and after the compression operation of these recirculating filtered exhaust gases, the latter must be cooled, both to allow better compression, that is to say have an optimum gas density, than to allow better combustion with fuel.
C'est pourquoi il est nécessaire de proposer des échangeurs de chaleur aptes à refroidir au mieux ces gaz d'échappement filtrés recirculant. 10 On connaît le document WO 2006034876 qui propose de former une couche hydrophobe sur la surface des circuits d'échange de manière à évacuer au plus vite la condensation d'eau acide sans que cette dernière ait le temps d'attaquer l'échangeur mais cette solution n'est pas satisfaisante car elle 15 n'évite pas totalement la corrosion et diminue significativement les capacités d'échange thermique de l'échangeur. This is why it is necessary to provide heat exchangers capable of optimally cooling these filtered recirculating exhaust gas. Document WO 2006034876 is known which proposes forming a hydrophobic layer on the surface of the exchange circuits so as to evacuate as quickly as possible the condensation of acidic water without the latter having the time to attack the exchanger but this This solution is not satisfactory because it does not completely avoid corrosion and significantly reduces the heat exchange capacity of the exchanger.
Le problème vient de ces gaz d'échappement filtrés recirculant car ils sont particulièrement acides et se condensent en liquide acide contenant 20 notamment des sulfates, des nitrates et/ou des hydrocarbures qui endommagent fortement les échangeurs de chaleur par corrosion. The problem is that these recirculating filtered exhaust gases are particularly acidic and condense into acidic liquids containing especially sulfates, nitrates and / or hydrocarbons which strongly damage the heat exchangers by corrosion.
A l'heure actuelle, il n'existe sur le marché aucun échangeur de chaleur en alliages d'aluminium apte à résister à des valeurs de pH inférieures 25 à 2,5. En effet, en particulier lorsque le moteur du véhicule est froid, les caractéristiques des échangeurs de chaleur destinés à traiter les gaz d'échappement doivent résister à une condensation de ces gaz et donc des attaques corrosives ainsi qu'un encrassement importants. At present, there is no aluminum alloy heat exchanger on the market capable of withstanding pH values below 2.5. Indeed, especially when the vehicle engine is cold, the characteristics of the heat exchangers for treating the exhaust gas must withstand condensation of these gases and therefore corrosive attacks and a significant fouling.
30 La présente invention entend remédier aux lacunes des échangeurs de chaleur existants et en particulier destinés au traitement des gaz d'échappement en proposant d'appliquer une couche isolante ou chimiquement inerte uniformément présente sur l'ensemble de l'échangeur de chaleur. The present invention intends to overcome the deficiencies of existing heat exchangers and in particular for the treatment of exhaust gases by proposing to apply an insulating or chemically inert layer uniformly present over the entire heat exchanger.
Ainsi, l'invention concerne un échangeur de chaleur, comportant deux circuits distincts pour l'échange de chaleur entre deux fluides, l'un des deux fluides consistant en des gaz d'échappement, caractérisé en ce qu'une couche isolante est présente sur les parois internes des conduits dans lesquels circule les gaz d'échappement. Thus, the invention relates to a heat exchanger, comprising two separate circuits for the exchange of heat between two fluids, one of the two fluids consisting of exhaust gases, characterized in that an insulating layer is present on the internal walls of the ducts in which the exhaust gases circulate.
On entend par l'expression parois internes sur lesquelles est présente la couche isolante selon l'invention les parois en contact avec les gaz d'échappement. Ainsi, dans l'échangeur choisi ici pour illustrer l'invention, la couche isolante est appliquée sur les surfaces en contact avec l'air sous pression c'est à dire l'extérieur du faisceau ou du tube. Le circuit interne de fluide refroidissant, c'est-à-dire l'intérieur de tubes ou de plaques, est exempt de ce traitement. The term "internal walls" on which the insulating layer according to the invention is presented is the walls in contact with the exhaust gas. Thus, in the exchanger chosen here to illustrate the invention, the insulating layer is applied to the surfaces in contact with the pressurized air, that is to say the outside of the beam or tube. The internal cooling fluid circuit, i.e., the interior of tubes or plates, is free of this treatment.
Avantageusement, la couche isolante est présente uniformément sur les parois internes de conduits. Advantageously, the insulating layer is uniformly present on the internal walls of ducts.
On entend par l'expression couche isolante présente uniformément sur les parois le fait que cette couche présente une épaisseur, ou hauteur, sur la surface des parois internes desdits conduits qui est sensiblement égale sur l'ensemble de ces parois. Is meant by the term insulating layer uniformly present on the walls that this layer has a thickness, or height, on the surface of the inner walls of said ducts which is substantially equal on all of these walls.
Selon une possibilité offerte par l'invention, la couche isolante est composée de résine époxydique, et de ses combinaisons avec des résines acryliques, polyester, polyuréthane ou polyamine, appliquée par le procédé de cataphorèse. Une seconde possibilité offerte par cette invention est la couche isolante composée de résine époxydique et de sa combinaison avec une résine phénolique et chimiquement renforcée avantageusement par un polymère fluoré comme le PTFE, déposée par un procédé d'immersion et de centrifugation. According to a possibility offered by the invention, the insulating layer is composed of epoxy resin, and its combinations with acrylic resins, polyester, polyurethane or polyamine, applied by the cataphoresis method. A second possibility offered by this invention is the insulating layer composed of epoxy resin and its combination with a phenolic resin and advantageously chemically enhanced by a fluoropolymer such as PTFE, deposited by an immersion and centrifugation process.
Avantageusement, la couche isolante présente une épaisseur, ou une hauteur, inférieure à 100 m (micromètres). Advantageously, the insulating layer has a thickness, or a height, less than 100 m (micrometers).
L'épaisseur de la couche isolante pourra être comprise entre 10 et 50 m sur la surface des parois internes des conduits dans lesquels circulent 10 les gaz d'échappement, en particulier comprise entre 15 et 38 m. The thickness of the insulating layer may be between 10 and 50 m on the surface of the internal walls of the ducts in which the exhaust gases circulate, in particular between 15 and 38 m.
Selon une possibilité offerte par l'invention, les conduits dans lesquels circulent les gaz d'échappement comportent des intercalaires/ailettes/perturbateurs. Dans ce cas, la couche isolante sur ces 15 éléments sera comprise entre 5 et 25 m, en particulier entre 8 et 161am. According to a possibility offered by the invention, the ducts in which the exhaust gases circulate comprise interleaves / fins / disrupters. In this case, the insulating layer on these elements will be between 5 and 25 m, in particular between 8 and 161am.
Avantageusement, l'échangeur comportant la couche selon l'invention présentera les caractéristiques additionnelles suivantes : - les conduits dans lesquels circulent les gaz d'échappement 20 comportent des intercalaires/ailettes dont la distance entre deux intercalaires/ailettes consécutifs est au moins égale à 1,25 mm (millimètre), - la largeur du corps de l'échangeur, c'est-à-dire la largeur du faisceau de l'échangeur où a lieu les échangeurs thermiques entre les deux fluides, est comprise entre 40 mm et 120 mm, 25 - la hauteur du corps de l'échangeur au plus égale à 130mm. Advantageously, the exchanger comprising the layer according to the invention will have the following additional characteristics: the ducts in which the exhaust gases circulate comprise spacers / fins whose distance between two consecutive spacers / fins is at least equal to 1 25 mm (millimeter), the width of the body of the exchanger, that is to say the width of the heat exchanger beam where the heat exchangers between the two fluids take place, is between 40 mm and 120 mm. mm, 25 - the height of the body of the exchanger at most equal to 130 mm.
Ces caractéristiques sont définies afin d'autoriser une application optimum de la couche selon l'invention, tant en épaisseur qu'en uniformité. Bien entendu, les échangeurs de chaleur présentant d'autres dimensions sont 30 susceptibles de se voir appliquer la couche selon l'invention mais cette application pourra éventuellement nécessiter des étapes supplémentaires, voire un procédé d'application différent. These characteristics are defined in order to allow optimum application of the layer according to the invention, both in thickness and in uniformity. Of course, the heat exchangers with other dimensions are likely to be applied to the layer according to the invention but this application may possibly require additional steps or a different application method.
Grâce à l'invention, les échangeurs de chaleur sont destinés à traiter thermiquement les gaz d'échappement lorsque ces derniers amènent localement des condensats de sulfates, nitrates, chlorures et/ou hydrocarbures dont le pH est inférieur à 2,5 sans détériorer les performances de transfert de chaleur de l'échangeur. Thanks to the invention, the heat exchangers are intended to heat treat the exhaust gas when the latter locally bring condensates of sulphates, nitrates, chlorides and / or hydrocarbons whose pH is less than 2.5 without deteriorating the performance heat transfer of the exchanger.
Par ailleurs, l'invention permet à l'échangeur de chaleur de résister aux phénomènes d'abrasion dus aux particules abrasives contenues dans ces gaz d'échappement, en particulier pour les moteurs de type Diesel. Furthermore, the invention allows the heat exchanger to withstand the abrasion phenomena due to the abrasive particles contained in these exhaust gases, in particular for diesel type engines.
L'invention concerne également un procédé d'obtention d'un échangeur de chaleur tel que défini précédemment, caractérisé en ce que la couche isolante est fixée sur la ou les surface(s) dudit échangeur par cataphorèse ou par immersion-centrifugation. The invention also relates to a method for obtaining a heat exchanger as defined above, characterized in that the insulating layer is fixed on the surface (s) of said exchanger by cataphoresis or immersion-centrifugation.
Un mode de réalisation de l'invention sera décrit ci-après, à titre 20 d'exemple non limitatif, en faisant référence aux dessins annexés dans lesquels : - La figure 1 représente un type d'échangeur de chaleur dans lequel circule deux fluides, dont celui à refroidir consiste en les gaz d'échappement ; - la figure 2 illustre un des procédés utilisés pour appliquer et fixer 25 la couche de passivation selon l'invention. An embodiment of the invention will be described below, by way of non-limiting example, with reference to the appended drawings in which: FIG. 1 represents a type of heat exchanger in which two fluids circulate, the one to be cooled consists of the exhaust gases; FIG. 2 illustrates one of the methods used to apply and fix the passivation layer according to the invention.
Il est présenté ici l'invention dans le cadre d'un échangeur du type à eau, c'est-à-dire que les gaz d'échappement échangent de la chaleur avec un liquide, par exemple le liquide de refroidissement utilisé dans la boucle 30 thermique du moteur. Néanmoins, tous autres types d'échangeurs peuvent être envisagés dans la mesure où il autorise la circulation des gaz d'échappement du véhicule en vu de leur refroidissement. The invention is presented in the context of a water-type exchanger, that is to say that the exhaust gases exchange heat with a liquid, for example the cooling liquid used in the loop. 30 thermal motor. Nevertheless, all other types of exchangers can be envisaged to the extent that it allows the circulation of the exhaust gases of the vehicle in view of their cooling.
On notera cependant que l'homme du métier considéré pour la présente invention est un technicien du domaine des échangeurs de chaleur pour véhicules automobiles, et plus particulièrement des échangeurs de chaleur destinés à traiter thermiquement les gaz d'échappement. It will be noted, however, that one skilled in the art considered for the present invention is a technician in the field of heat exchangers for motor vehicles, and more particularly heat exchangers for heat treating the exhaust gases.
L'échangeur de chaleur 1 choisi pour illustrer l'invention consiste ici en un échangeur dont le réfrigérant est le liquide de refroidissement, le fluide à refroidir consistant en les gaz d'échappement. Les gaz d'échappement passent dans l'échangeur selon les flèches F l /F2, perpendiculairement au sens de circulation du liquide. The heat exchanger 1 chosen to illustrate the invention here consists of an exchanger whose coolant is the coolant, the fluid to be cooled consisting of the exhaust gas. The exhaust gases pass through the exchanger according to the arrows F1 / F2, perpendicular to the direction of circulation of the liquid.
Ainsi, le liquide de refroidissement entre dans l'échangeur 1 via la tubulure d'entrée 2, débouchant dans un collecteur d'entrée, puis circule dans des tubes 3 alignés parallèlement les uns aux autres pour aboutir à un collecteur de sortie, avant de ressortir via la tubulure de sortie 4. Dans cet exemple le liquide de refroidissement effectue quatre passes dans l'échangeur 1. Thus, the coolant enters the exchanger 1 via the inlet pipe 2, opening into an inlet manifold, then flows in tubes 3 aligned parallel to each other to lead to an outlet manifold, before exit through the outlet pipe 4. In this example the coolant makes four passes in the exchanger 1.
Les gaz d'échappement circulent ici en traversant l'échangeur 1 une seule fois, leurs traversées étant perturbées par des intercalaires/ailettes 5 présentes entre les différents tubes 3 constituant l'échangeur 1 de manière à échanger thermiquement au mieux avec le liquide de refroidissement. Bien entendu, l'échangeur 1 comprend un boîtier, non représenté sur les figures annexées, apte à enfermer/envelopper ledit échangeur 1 visible sur la figure 1 de manière à conduire les gaz d'échappement depuis leur entrée jusqu'à leur sortie ; ce boîtier formant classiquement collecteur d'entrée et de sortie.30 On notera que cet échangeur 1 présente les caractéristiques suivantes : - hauteur ou coeur 6 du faisceau (zone de l'échangeur où a lieu l'échange entre les deux fluides) de l'échangeur : 76 mm, - hauteur ou distance entre deux intercalaires/ailettes 4 : 1,25 à 1,4 mm, - largeur 7 du faisceau : 40 -120 mm, - hauteur ou distance entre deux tubes 3 : 7,2mm +40,15. The exhaust gases circulate here through the exchanger 1 once, their bushings being disturbed by spacers / fins 5 present between the different tubes 3 constituting the exchanger 1 so as to exchange the best heat with the coolant . Of course, the exchanger 1 comprises a housing, not shown in the accompanying figures, adapted to enclose / wrap said exchanger 1 visible in Figure 1 so as to drive the exhaust gas from their entry to their exit; this housing conventionally forming an inlet and outlet collector. It will be noted that this exchanger 1 has the following characteristics: - height or core 6 of the bundle (zone of the exchanger where the exchange takes place between the two fluids) of the exchanger: 76 mm, height or distance between two spacers / fins 4: 1.25 to 1.4 mm, beam width 7: 40 -120 mm, height or distance between two tubes 3: 7.2 mm + 40.15.
Bien que la couche isolante soit susceptible d'être appliquée sur tous types d'échangeurs, il a été mis en évidence que certaines architectures d'échangeurs de chaleur sont mieux appropriées à son application. Ainsi, on obtient des résultats optimums avec un échangeur pour le traitement des gaz d'échappement sur lequel est appliquée une couche isolante selon l'invention lorsqu'il présente les caractéristiques suivantes : - une distance entre deux intercalaires/ailettes consécutifs au moins égale à 1,25 mm (millimètre), - une largeur du corps de l'échangeur, c'est-à-dire la largeur du faisceau de l'échangeur où a lieu les échangeurs thermiques entre les deux 20 fluides, comprise entre 40 mm et 120 mm, - une hauteur du corps de l'échangeur au plus égale à 130 mm. Although the insulating layer is likely to be applied to all types of heat exchangers, it has been shown that certain architectures of heat exchangers are better suited to its application. Thus, optimum results are obtained with an exchanger for the treatment of exhaust gases to which an insulating layer according to the invention is applied when it has the following characteristics: a distance between two consecutive spacers / fins at least equal to 1.25 mm (millimeter), a width of the body of the exchanger, that is to say the width of the exchanger beam where the heat exchangers between the two fluids take place, between 40 mm and 120 mm, - a height of the body of the exchanger at most equal to 130 mm.
La couche isolante selon l'invention est déposée par cataphorèse ou par immersion-centrifugation car ces deux méthodes actuelles de 25 recouvrement/fixation d'un film/substrat permettent de déposer une couche fine uniforme sur un dispositif présentant une géométrie complexe, telle que celle d'un échangeur de chaleur à tubes ou à plaques. The insulating layer according to the invention is deposited by cataphoresis or immersion-centrifugation because these two current methods of covering / fixing a film / substrate make it possible to deposit a uniform thin layer on a device having a complex geometry, such as that a tube or plate heat exchanger.
La cataphorèse, dont le principe dans le cadre de la présente 30 invention est représenté sur la figure 2, est un procédé électrochimique de revêtement d'une couche dans lequel la couche selon l'invention forme l'anode tandis que l'échangeur forme la cathode ; ces deux électrodes, anode et cathode, étant immergées dans un bain d'une solution aqueuse électriquement conductrice contenant la matière à déposer. La couche selon l'invention migre, sous l'influence du champ électrique, depuis l'anode en direction de l'électrode chargée négativement, la cathode, à savoir l'échangeur de chaleur. La couche est ainsi déposée et forme un film cohérent. Au fur à mesure que ce film se dépose sur la surface de l'échangeur, la couche ainsi déposée crée une isolation électrique empêchant tout dépôt ultérieur. L'épaisseur de la couche déposée est contrôlée automatiquement en ajustant le champ électrique créé et en modifiant la composition de la couche. Cataphoresis, the principle of which in the context of the present invention is shown in FIG. 2, is an electrochemical coating method for a layer in which the layer according to the invention forms the anode while the exchanger forms the cathode; these two electrodes, anode and cathode, being immersed in a bath of an electrically conductive aqueous solution containing the material to be deposited. The layer according to the invention migrates, under the influence of the electric field, from the anode towards the negatively charged electrode, the cathode, namely the heat exchanger. The layer is thus deposited and forms a coherent film. As this film is deposited on the surface of the exchanger, the layer thus deposited creates an electrical insulation preventing any subsequent deposition. The thickness of the deposited layer is automatically controlled by adjusting the created electric field and changing the composition of the layer.
L'immersion-centrifugation n'est pas ici explicitée plus avant car le procédé est bien connu et ne diffère pas ici dans son application à un échangeur de chaleur. The immersion-centrifugation is not here explained further because the process is well known and does not differ here in its application to a heat exchanger.
Outre les résultats principaux liés aux problèmes techniques évoqués ci-dessus, la couche isolante montre une bonne résistance aux acides organiques notamment de type acétique, propanoïque, et glycolique ainsi qu'une bonne résistance aux acides inorganiques notamment du type acides sulfurique, nitrique, chlorhydrique, fluorhydrique, carbonique. In addition to the main results related to the technical problems mentioned above, the insulating layer shows good resistance to organic acids including acetic, propanoic, and glycolic acid and good resistance to inorganic acids including sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid , hydrofluoric, carbonic.
En effet, la norme de test VDA 621-412 a été appliquée avec succès sur des échangeurs de chaleur munis d'une telle couche isolante afin d'évaluer leurs résistance aux différents produits tel que l'isooctane, le toluène, le diesel, la gazoline, l'huile hydraulique, l'éthylène glycol, l'éthanol, l'isopropanol, l'hydroxyde de sodium 5%, l'acide chlorhydrique 10%, l'acide sulfurique 10%. Indeed, the VDA 621-412 test standard has been successfully applied to heat exchangers equipped with such an insulating layer to evaluate their resistance to different products such as isooctane, toluene, diesel, gasoline, hydraulic oil, ethylene glycol, ethanol, isopropanol, sodium hydroxide 5%, hydrochloric acid 10%, sulfuric acid 10%.
Par ailleurs, la couche isolante selon l'invention présente une bonne résistance au feu (test selon la norme DIN 75200) et résiste sans perte de matière à des variations importantes de températures, de -40 à 180 Celsius. Furthermore, the insulating layer according to the invention has good fire resistance (test according to DIN 75200) and withstands without material loss significant temperature variations of -40 to 180 Celsius.
L'homme de l'art pourra appliquer les concepts décrits à de nombreux autres systèmes similaires, en combinant à souhait les différentes réalisations et modes d'exécution présentés précédemment, sans sortir du cadre de l'invention défini dans les revendications jointes. Those skilled in the art can apply the concepts described to many other similar systems, by combining the various embodiments and embodiments described above, without departing from the scope of the invention defined in the appended claims.
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