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CA 02837151 2013-11-22
WO 2012/160275 PCT/FR2012/000206
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PROCEDE DE FABRICATION D'UNE MOUSSE METALLIQUE MUNIE DE
CONDUITS ET MOUSSE METALLIQUE AINSI OBTENUE
Le secteur technique de la présente invention est celui
de la fabrication des mousses métalliques incorporant des
conduits débouchant de part et d'autre.
Ces mousses métalliques peuvent être utilisées en
particulier dans les échangeurs thermiques pour dissiper ou
diffuser la chaleur. Toutefois, il s'avère important de
disposer un ou plusieurs conduits traversant de part en part
la mousse métallique afin réaliser des échangeurs plus
complexes permettant la circulation d'un second fluide au
sein de l'échangeur ou afin de réalise des passages
préférentiels (connus sous la dénomination de Bypass ).
On a déjà proposé de réaliser un ou des conduits à
l'intérieur d'une mousse métallique. Ainsi, le document US-
2009/0085520 propose de perforer la mousse afin d'y
introduire un tube soit en forçant soit en prévoyant un
brasage après introduction du tube pour le solidariser avec
la mousse. On comprend que cette manière de faire implique
d'abord la fabrication de la mousse métallique, puis son
percement et enfin la mise en place du tube de manière
solidaire avec la mousse. La tenue du tube dans la mousse est
obtenue selon ce document de diverses manières, par exemple
par brasage, par compression de la mousse sur le tube, par un
ajustement serré du tube, etc_ Enfin, on comprend que ce
système ne permet l'insertion que de tubes rectilignes.
Le brevet EP-1808241 décrit un procédé de réalisation de
conduits dans une mousse métallique selon lequel on insère
les tubes métalliques préalablement dans la préforme avant la
coulée de l'aluminium ou de l'alliage d'aluminium en fusion
ou bien après la coulée. Ce système prévoit donc l'insertion
d'un tube préformé.
La technologie des mousses métalliques est bien connue et
on peut se reporter aux brevets EP-1808 241, US-3236706 et
EP-2118328 qui préconisent la fabrication d'une préforme sous
forme de granules à partir d'un sel, tel le chlorure de
sodium. Après, remplissage de l'espace libre entre les
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granules à l'aide d'un métal fondu, le sel est dissous pour
récupérer la mousse métallique.
Quel que soit le procédé employé pour l'obtention d'un
conduit au sein d'une mousse métallique, on se heurte à une
conductivité dégradée au niveau de la liaison entre le tube
et le milieu poreux de la mousse. De plus, au cours du temps,
la tenue mécanique entre le tube et la mousse fOrmant deux
parties s'altère. Enfin, il est à ce jour impossible de
former le conduit et la mousse métallique en une seule étape
et avec le même matériau.
Le but de la présente invention est de fournir une mousse
métallique incorporant un tube traversant obtenu pendant la
fabrication même de la mousse.
La fabrication de la mousse s'effectue de façon classique
à partir d'une préforme de granules comme décrit par exemple
dans le document ci-après cité.
En effet, le brevet EP-2118328 décrit une méthode
particulièrement intéressante en proposant de fabriquer une
préforme avec des granules à base de farine de grains. On
réalise alors une cuisson de cette préforme avant le coulage
du métal afin de détruire les chaînes carbonées des granules.
Ce brevet prévoit donc d'abord la fabrication d'une pâte
constituée de farine, de chlorure de sodium et d'eau. A
partir de cette pâte, on prépare des granules qui sont
utilisées ensuite pour fabriquer la préforme.
L'invention a donc pour objet un procédé de fabrication
d'une mousse métallique munie d'au moins un conduit et
destinée notamment à la fabrication d'échangeur thermique à
partir d'une préforme de billes, caractérisé en ce qu'on
dispose dans un moule de fonderie un noyau constitué d'une
âme et d'un enrobage en matériau fusible à basse température,
puis on dispose la préforme autour du noyau en réalisant un
contact intime avec ce noyau, puis on provoque par chauffage
l'élimination du matériau fusible à basse température, puis
on coule la masse métallique en fusion dans le moule pour
remplir les espaces libres entre les billes et entre les
billes et l'âme et on élimine enfin les billes.
Selon une réalisation particulière, le conduit est
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constitué, après coulage de la masse métallique, par la masse
métallique remplaçant l'enrobage de cire.
Selon une autre réalisation particulière, l'âme du noyau
est constituée par de la céramique, de l'acier, du sable,
d'un matériau soluble ou d'un matériau identique à celui
constituant la préforme.
Selon encore une autre réalisation, le noyau est
constitué de trois éléments, un premier élément constitué par
l'âme en céramique, acier ou sable, un second élément
constitué par une couche périphérique de matériau réfractaire
et un troisième élément constitué par un enrobage de matériau
fusible à basse température.
Selon encore une autre réalisation, le noyau est
constitué de quatre éléments, un premier élément constitué
par l'âàle en céramique, en acier ou en sable, un second
élément constitué par une couche périphérique d'un matériau
réfractaire, un troisième élément constitué par une couche
d'un matériau céramique et une quatrième couche constituée
par l'enrobage de matériau fusible à basse température.
Selon encore une autre réalisation, le noyau est
rectiligne.
Selon encore une autre réalisation, le noyau est muni de
courbures.
Selon encore une autre réalisation, l'âme est tubulaire.
Selon encore une autre réalisation, le matériau fusible à
basse température est une cire.
Selon encore une autre réalisation, l'enrobage comporte
au niveau de sa surface interne des protubérances continues
ou discontinues.
L'invention concerne également la mousse métallique
obtenue suivant le procédé selon l'invention en étant munie
d'au moins un conduit.
Avantageusement, le conduit est de forme tubulaire
rectiligne ou courbe.
Avantageusement encore, le conduit et la mousse sont à
base d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium.
Un tout premier avantage de la présente invention réside
dans l'obtention d'une mousse incorporant un conduit de même
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nature que la mousse métallique elle-même.
Un autre avantage de l'invention réside dans l'obtention
pour la première fois et de manière simultanée de la mousse
métallique et du ou des conduits.
Un autre avantage de l'invention réside dans le fait
d'obtenir un conduit de n'importe quelle forme, par exemple
rectiligne, courbe, ou autres.
Un autre avantage encore de l'invention dans l'absence
d'interaction néfaste entre le conduit et la mousse
métallique.
Un autre avantage encore de l'invention réside dans
l'élimination de tout problème de tenue mécanique ou de
conductivité thermique entre le ou les conduits et la mousse
métallique.
D'autres caractéristiques, avantages et détails de
l'invention seront mieux compris à la lecture du complément
de description qui va suivre de modes de réalisation donnés à
titre d'exemple en relation avec des dessins sur lesquels :
- la figure 1 est une vue montrant une préforme dans
laquelle est inséré un noyau,
- les figures 2-6 illustrent des coupes montrant diverses
réalisations d'un noyau,
- la figure 7 est une coupe montrant une autre
réalisation d'un noyau, et
- les figures 8 et 9 sont des coupes de la mousse
métallique avec un conduit réalisé in situ.
Dans la suite de la description, on considérera que la
préforme est réalisée de manière connue, c'est-à-dire à
partir de billes agglomérées et que cette préforme est
utilisée de manière connue pour fabriquer une mousse
métallique. Le matériau constituant la mousse métallique est
lui aussi connu et on citera à titre d'exemple l'aluminium,
les alliages d'aluminium et tous les matériaux connus
utilisés en fonderie. Pour plus de précision, on pourra se
reporter au brevet précité.
Comme indiqué précédemment, on insère selon l'invention
au sein de la préforme un noyau qu'il est possible de
préparer de différentes manières. De façon générale,
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l'invention repose sur le remplacement d'une couche
d'enrobage fusible par le matériau même de la mousse
métallique pour réaliser le conduit in situ.
Sur la vue selon la figure 1, on a représenté une
préforme constituée des billes 1, comprimée ou non, dans
laquelle un noyau 2 est disposé. Ce noyau est constitué d'une
âme 3 et d'un enrobage 4. On a représenté une préforme 6
extraire de son moule pour des raisons de clarté. Cette
préforme est de forme parallélépipédique dans laquelle on a
inséré le noyau 2 selon la figure 1. On voit que l'ensemble
des billes 1 sont en contact intime les unes avec les autres.
L'extrémité de l'enrobage 4 vient en affleurement de la paroi
latérale de la préforme alors que l'âme 3 est saillante.
Cette représentation n'est nullement limitative et
l'invention pourra également être réalisée en faisant
dépasser la cire afin de créer une peau ou d'obtenir un tube
saillant par rapport à la mousse.
Bien entendu, dans le moule d'injection du métal en
fusion, on dispose d'abord le noyau 2 avec une position
droite ou inclinée selon les besoins de l'utilisateur puis on
y verse les billes. La mousse est ensuite réalisée selon la
technologie connue qu'il n'est pas nécessaire de décrire en
détail. Il va de soi qu'il est possible de disposer plusieurs
noyaux pour obtenir plusieurs conduits.
Sur la figure 2, on a représenté en coupe un premier mode
de réalisation du noyau 2 constitué de l'âme 3 et de
l'enrobage 4. L'âme 3 est constituée par exemple par un
matériau céramique, de l'acier ou du sable communément
utilisés dans la technologie de la fonderie. L'enrobage est
ici constitué d'une couche de cire ou de tout aUtre matériau
fusible à basse température. Par matériau fusible à basse
température, on entend un matériau dont le point de fusion
est compris entre 40 C et 150 C. Bien entendu, le diamètre de
l'âme et l'épaisseur de la couche d'enrobage sont dictés par
les applications envisagées de la mousse métallique. Ainsi,
des diamètres de l'âme supérieurs à 2 mm peuvent être
envisagés et une épaisseur d'enrobage de 0,5 mm à 10 mm
(préférentiellement 0,5 à 3 mm) peut être adoptée.
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Sur la figure, on a représenté un noyau rectiligne. Mais
il va sans dire qu'un noyau de forme quelconque peut être
réalisé. Dans ce cas, on privilégiera une âme en sable.
Cette préforme 1 intégrant le noyau 2 est traitée de
manière classique pour fabriquer la mousse métallique. Ainsi,
au cours de la montée en température du moule, on agglomère
les billes entre elles pour créer la préforme rigide, puis
l'enrobage 4 fondu et éliminé par simple écoulement de
fluide. On injecte le métal en fusion de manière connue qui
viendra occuper les espaces interstitiels entre les billes et
l'espace libre laissé par l'enrobage entre la préforme et
l'âme restante pour constituer le conduit. Après
refroidissement, l'âme 3 est extraite ou éliminée s'il s'agit
de sable pour laisser libre le conduit formé.
Sur la figure 3, on a représenté en coupe une variante de
réalisation du noyau 2 en trois parties à savoir l'âme 3 sur
laquelle une couche 5 d'un matériau réfractaire est appliquée
et enfin l'enrobage 4 de cire ou de matériau fusible à basse
température. L'intérêt de ce matériau réfractaire est de
faciliter le démoulage du noyau après coulage du métal alors
que la rigidité est assurée par l'âme 3. Ce matériau
réfractaire permet également d'augmenter le diamètre du
conduit final sans modifier l'âme.
Sur la figure 4, on a représenté le noyau 2 selon la
figure 3 dont l'âme 3 est évidée longitudinalement pour
présenter un canal 6. L'intérêt de cette réalisation réside
dans la réduction de la matière constituant l'âme 3. Un autre
avantage d'une telle réalisation demeure dans la possibilité
d'y faire circuler un flux d'air afin d'améliorer le
refroidissement après coulage. L'âme se présente alors sous
la forme d'un tube d'épaisseur plus ou moins importante.
Sur la figure 5, on a représenté en coupe un autre mode
de réalisation du noyau 2 en quatre parties. L'âme 3 est
recouverte d'une couche 5 d'un matériau réfractaire, elle-
même recouverte d'une couche d'un matériau céramique 7 et
enfin la couche d'enrobage 4. L'utilisation du matériau
céramique permet d'augmenter la rigidité du matériau
réfractaire et d'éliminer les infiltrations potentielles
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d'aluminium fondu dans le réfractaire et d'éviter ainsi les
micro-fissures.
Sur la figure 6 qui représente une variante, du mode de
réalisation selon la figure 5, on a prévu une âme 3 creuse se
présentant sous la forme d'un tube. Cette réalisation permet
une économie de matière du matériau constitutif de l'âme.
Tous les noyaux précédemment décrits en relation avec les
figures sont insérés dans une préforme afin de réaliser un ou
plusieurs conduits à l'intérieur de la mousse métallique. A
cette fin, on dispose le noyau dans le moule de fabrication
de la mousse puis on introduit les billes en s'assurant d'une
bonne compacité qui favorisera le contact entre toutes les
billes. Si nécessaire la préforme est comprimée.
Tous ces noyaux peuvent comporter une âme en matériau
céramique, en acier, ou en sable, et plus généralement
n'importe quel matériau utilisable dans le domaine de la
fonderie. Il va de soi que lorsque l'âme est réalisée en
matériau céramique ou en acier elle se présente sous la forme
d'un barreau droit pour assurer son extraction, le conduit
obtenu étant rectiligne. Le noyau peut occuper n'importe
quelle position à l'intérieur de la préforme et le tube peut
alors déboucher en n'importe point des faces de la mousse
métallique en entrée et en sortie.
Sur la figure 7, on a représenté un autre mode de
réalisation du noyau 2 dont l'âme 9 comporte plusieurs
courbures et recouverte d'un enrobage 4 de cire ou d'un
matériau fusible à basse température. Dans ce cas, l'âme 9
est réalisée en sable ou en un matériau friable. Le conduit
obtenu au sein de la mousse permet d'obtenir une plus grande
surface de contact entre le fluide circulant dans la mousse
métallique et le fluide circulant dans le conduit.
Sur la figure 8, on a représenté une coupe d'un bloc de
mousse métallique 10 constituée par un treillis métallique 11
au sein duquel le conduit tubulaire 12 est formé dans
l'espace libre entre les billes et l'âme après fusion de
l'enrobage. On comprend que l'épaisseur du conduit 12 est
sensiblement égale à l'épaisseur de la couche d'enrobage.
On voit tout l'intérêt de la présente invention puisque
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la mousse 10 et le conduit 12 sont réalisés simultanément
lors de la coulée du métal fondu. Ils sont donc de même
nature ce qui assure une conductivité identique au niveau de
ces deux éléments et élimine les problèmes de tenue
mécanique.
Sur la figure 9, on a représenté une coupe longitudinale
au niveau du conduit 12 et on voit que le conduit 12 est
totalement imbriqué dans le treillis 11 de la mousse
métallique avec une confusion de la matière.
Sur les figures 10 et 11, on a représenté une variante de
réalisation consistant à réaliser des rainures ou des
entailles sur la surface externe de l'âme 3 (ou du matériau
réfractaire). Lesdites rainures ou entailles étant comblées
au moyen de l'enrobage 4, réalisant ainsi des protubérances
13 continues ou discontinues au niveau de la surface interne
de l'enrobage 4 permettant, lors de la coulée de métal, la
création de surface d'échange disposées à l'intérieure du
conduit afin d'améliorer les échanges thermiques. Ces
protubérances 13 sont ici représentées à titre illustratif et
non exhaustif, sous forme de sections triangulaires et
rectangulaires. Il va de 'soi pour l'homme du métier qu'elles
pourront se présenter sous d'autres formes visant à favoriser
les échanges thermiques tout en préservent l'écoulement du
fluide à l'intérieur du conduit. Un avantage de ce mode de
réalisation réside dans l'augmentation de la surface
d'échange à l'intérieur du conduit et donc de l'efficacité du
dispositif.
Sur les figures illustrant l'invention on a représenté à
titre illustratif et non limitatif le noyau, l'enrobage et la
tubulure de section sensiblement circulaire, il va de soi que
l'Homme de l'Art sera en mesure de réaliser l'invention en
utilisant des sections différentes, notamment ovales ou
rectangulaires.
Les mousses selon l'invention sont particulièrement aptes
à la réalisation d'échangeurs thermiques, quels que soient
ces échangeurs, liquide/liquide, ou liquide/gaz, ou gaz/gaz,
ou les fluides à changement de phase (liquide gaz).
