Procédé de fabrication de panneaux en aluminium à circuit intégré pour échangeurs thermiques à rapport performance/coût amélioré.

Domaine de l'invention

L'invention concerne un procédé de fabrication de panneaux en aluminium à circuit intégré, à partir de plaques réalisées selon le procédé généralement connu sous le nom de « roll-bond » ou « Z-bond », de type bi-face à deux faces déformées ou de type mono-face ou « OSF » (« One Side Fiat ») à une face plane et une face déformée. Ces panneaux sont utilisés comme échangeurs de chaleur, et notamment comme circuits de refroidissement des réfrigérateurs et congélateurs ménagers.

Etat de la technique

Le circuit frigorifique d'un réfrigérateur ou d'un congélateur comporte un compresseur destiné à propulser le liquide frigorigène, par exemple un hydrocarbure fluoré ou chlorofluoré, ou un alcane, et un évaporateur, généralement sous forme d'un panneau vertical, complété, dans le cas des réfrigérateurs à compartiment congélateur, d'un panneau ayant des plans horizontaux, par exemple dans le plan séparant les deux compartiments.

L'un des modes de fabrication du panneau évaporateur consiste à réaliser le circuit du réfrigérant par l'une des techniques dites « roll-bond » ou « Z-bond » ; elles consistent à partir de deux tôles en aluminium ou alliage d'aluminium, dont l'une est enduite, sur les zones destinées à devenir le circuit intégré, d'une encre jouant le rôle d'une matière anti-soudure destinée à empêcher la soudure entre les deux tôles. Les deux tôles sont ensuite soudées par co-laminage dans le cas du « roll-bond » ou pressage à chaud dans celui du « Z-bond ». Les zones non soudées sont alors gonflées par voie hydraulique ou pneumatique pour former le circuit, qui peut être de type bi- face à deux faces déformées ou de type mono-face ou « OSF » (« One Side Fiat ») à une face plane et une face déformée.

Le circuit comporte généralement une succession de canaux avec une partie descendante vers le bas du panneau et une partie remontante vers le haut du panneau, avec éventuellement en fin de circuit une zone élargie servant de bouilleur, où l'évaporation finit de s'effectuer quelles que soient les conditions extérieures. Le livre « L'aluminium », tome 1 « Production - Propriétés — Alliages - Fabrication des demi-produits — Fabrications annexes », paru aux Editions Eyrolles, Paris 1964, pages 718 - 721, et la publication « Panneaux aluminium à circuits intégrés : deux lignes de fabrication complémentaires pour de multiples produits », parue dans la Revue de l'Aluminium, février 1982, décrivent le principe du procédé « roll-bond » pour la fabrication de panneaux de type bi-face, et divulguent le schéma d'une ligne de fabrication en continu, ainsi que les alliages habituellement utilisés pour la fabrication des panneaux. Dans cette ligne de fabrication en continu, les panneaux sont formés à partir de tôles individuelles (appelées « platines » dans le livre), qui sont transportées manuellement ou par un moyen de convoyage mécanique à travers les différentes machines qui constituent la chaîne de fabrication.

Le brevet FR 1347949 (Olin Mathieson) décrit le principe des panneaux à circuit intégré mono-face et propose de les réaliser à partir de deux tôles de résistance mécanique différente, l'une en alliage 1100 et l'autre en alliage 1100 avec addition de 0,12% de zirconium. Le brevet FR 2561368 (Cegedur Pechiney) divulgue un procédé de fabrication en continu de panneaux « roll-bond » de type mono-face à partir de deux tôles en aluminium ou alliages d'aluminium.

Un autre mode de réalisation d'évaporateurs correspond à ce qu'il est convenu d'appeler « échangeur à tôle et tube ».

Très schématiquement, selon cette réalisation, le fluide frigorigène circule dans un tube en serpentin, fixé par collage, soudage ou sertissage, sur une plaque ou tôle support, qui permet la transmission du froid vers l' armoire frigorifique.

Problème posé

Les panneaux en aluminium de l'état de la technique posent différents types de problèmes : Les « échangeurs à tôle et tube » présentent l'inconvénient d'un rendement thermique relativement faible et donc d'une performance réduite se traduisant par une plus forte consommation d'énergie de l'appareil, en particulier lorsqu'ils sont utilisés comme évaporateurs de réfrigérateurs ou congélateurs. Cette faiblesse est liée notamment à la qualité non optimale du contact tube-plaque du fait en particulier de l'interface entre ces deux éléments distincts.

Par ailleurs, leur durée de vie est limitée du fait essentiellement de l'assemblage tube/plaque.

Les panneaux en aluminium à circuit de canaux intégré, généralement connus sous le nom de « roll-bond » ou « Z-bond », du fait de l'intégration même du circuit dans le matériau constituant, dans le modèle précédent, la plaque, présentent un rendement thermique et une performance nettement supérieurs.

Toutefois ce niveau de performance est acquis aux dépends d'un coût généralement plus élevé, même si les écarts varient selon les cas particuliers d'utilisation. Ceci limite bien sûr sa pénétration sur le marché en question mais aussi sa conquête de nouveaux marchés dans le domaine plus général des échangeurs thermiques.

Le but de l'invention est de fournir un procédé de fabrication de panneaux du type « roll-bond » ou « Z-bond » pour échangeurs thermiques à un coût inférieur à celui des « échangeurs à tôle et tube », sans perte notable en termes de rendement thermique et performance, par rapport à la solution la plus performante que constituent les panneaux des types « roll-bond » ou « Z-bond ».

Objet de l'invention

L'invention a pour objet un procédé de fabrication de panneaux en aluminium à circuit intégré de canaux destinés à la circulation d'un fluide caloporteur, comportant les étapes suivantes :

- Préparation de surface de deux tôles en alliage d'aluminium, par exemple par brossage, et dépôt sur l'une des tôles d'une encre anti-soudure dans des zones réservées correspondant au dessin du circuit,

Soit liaison par co-laminage des tôles l'une sur l'autre et découpe de la bande ainsi obtenue en plaques,

Soit liaison par pressage à chaud l'une sur l'autre des tôles prédécoupées en plaques,

Gonflage des canaux correspondant aux zones non soudées, par voie hydraulique ou pneumatique, caractérisé en ce que :

- Lesdites plaques ainsi obtenues comportent au moins deux circuits intégrés et indépendants, s'imbriquant l'un dans l'autre, et en ce que :

On découpe lesdites plaques, par exemple par poinçonnage ou découpage laser, de façon à obtenir des panneaux indépendants, typiquement symétriques ou identiques, présentant des espaces libres correspondant sur chacun à l'ancien emplacement de l'autre panneau séparé,

- On applique une feuille support , par exemple en alliage d'aluminium, encollée sur au moins une de ses faces, ou feuille autocollante, sur une face au moins de chacun des panneaux indépendants obtenus, ladite feuille s'étendant en partie au moins au-delà de leur périmètre et comblant au moins en partie lesdits espaces libres, de façon à reconstituer un panneau de surface continue.

Ledit poinçonnage est réalisé généralement en même temps que l'opération de poinçonnage habituelle selon les procédés « roll-bond » ou « Z-bond » de l'art antérieur.

De manière surprenante, et comme cela sera illustré dans les exemples, la demanderesse a constaté une très bonne performance thermique des panneaux selon l'invention, alors que leur coût est réduit à un niveau inférieur à celui des évaporateurs « à tôle et tube ». Ce résultat permet d'envisager une pénétration plus importante des panneaux selon l'invention sur le marché des évaporateurs, mais aussi sur d'autres marchés.

Avantageusement, la feuille support est réalisée en matériau à conductivité thermique élevée.

On appelle matériau à conductivité thermique élevée un matériau à conductivité thermique sensiblement égale ou supérieure à celle desdits panneaux, c'est à dire typiquement en alliage d'aluminium ou de cuivre.

Préférentiellement, la feuille support comble lesdits espaces libres, sans évidement entre les divers canaux des circuits intégrés.

Description des figures

La figure 1 représente à gauche la plaque comportant deux circuits intégrés (1) et (2) indépendants, s'imbriquant l'un dans l'autre, séparés à droite en deux panneaux (A) et (B) indépendants présentant des espaces libres (6) correspondant sur chacun à l'ancien emplacement de l'autre panneau séparé. La figure 2 représente un exemple de réalisation appliquée à un panneau du type « roll-bond » à une face déformée et une face plane du type connu sous l'appellation « OSF » (« One Side Fiat »), une feuille (5) en alliage d'aluminium encollée étant appliquée sur la face plane, comblant les espaces libres (6) et s 'étendant au-delà du périmètre (4) du panneau final. Le circuit intégré de canaux (3) est organisé selon la configuration dite « à quatre boucles et un bouilleur ».

La figure 3 représente un autre exemple de réalisation toujours appliqué à un panneau du type « roll-bond » à une face déformée et une face plane, une feuille (5) en alliage d'aluminium encollée étant appliquée sur la face plane, comblant les espaces libres (6) et s' étendant au-delà du périmètre (4) du panneau final. Le circuit intégré de canaux (3) est organisé selon la configuration dite « à une boucle et un bouilleur ».

Description de l'invention

Le procédé de fabrication de panneaux en aluminium à circuit intégré de canaux destinés à la circulation d'un fluide caloporteur, fréquemment frigorigène, à partir de plaques réalisées selon le procédé généralement connu sous le nom de « roll-bond » ou « Z-bond », selon l'invention, comporte les étapes suivantes :

- Préparation de surface de deux tôles en alliage d'aluminium, typiquement par brossage, et dépôt sur l'une des tôles d'une encre anti-soudure dans des zones réservées correspondant au dessin du circuit,

Soit, typiquement dans le cas de la variante « roll-bond », liaison par co- laminage des tôles l'une sur l'autre, la liaison ne s'effectuant pas dans les zones réservées, et découpe de la bande ainsi obtenue en plaques, Soit, typiquement dans le cas de la variante « Z-bond », liaison avec les mêmes réserves que dans le cas précédent, par pressage à chaud l'une sur l'autre des tôles prédécoupées en plaques, en interposant éventuellement une feuille métallique (typiquement en alliage de zinc) pour améliorer ladite liaison,

Gonflage des canaux correspondant aux zones non soudées, par voie hydraulique ou pneumatique, créant ainsi les circuits intégrés.

Toutefois, il se caractérise par rapport aux procédés de l'art antérieur en ce que : - Les plaques ainsi obtenues comportent au moins deux circuits intégrés indépendants (1) et (2), s'imbriquant l'un dans l'autre,

On découpe lesdites plaques à l'issue des étapes pré-citées, par exemple par poinçonnage ou par découpe laser, pour obtenir au moins deux panneaux (A) et (B) indépendants, typiquement symétriques ou identiques, présentant des espaces libres (6) correspondant sur chacun à l'ancien emplacement de l'autre panneau séparé ; cette découpe est typiquement réalisée de façon simultanée avec l'opération, habituelle selon les procédés de l'art antérieur, de poinçonnage. On applique une feuille (5) support en matériau à conductivité thermique élevée, typiquement en alliage d'aluminium ayant une ou deux de ses faces encollées, ou feuille autocollante, couramment disponible dans le commerce et d'une épaisseur typique de 10 à 200 μm, sur une face au moins, et généralement une seule, de chacun des panneaux, s 'étendant en partie au moins au-delà de leur périmètre (4) et comblant lesdits espaces libres, de façon à reconstituer un panneau de surface continue, typiquement rectangulaire, sans évidement entre les divers canaux des circuits intégrés.

On appelle matériau à conductivité thermique élevée un matériau à conductivité thermique sensiblement égale ou supérieure à celle desdits panneaux, c'est à dire typiquement en alliage d'aluminium ou de cuivre.

Le contact entre la feuille adhésive et le panneau est très bon, contrairement au cas des échangeurs du type « à tôle et tube », assurant de ce fait un bon transfert thermique, sans dégradation notable par rapport à celui des panneaux « roll-bond » ou « Z-bond » de l'art antérieur. Il en va de même pour ce qui concerne l'espace comblé par la feuille adhésive en matériau à conductivité thermique élevée et en particulier en alliage d'aluminium ; celle-ci assure une bonne continuité thermique, garante d'une bonne performance de l'ensemble.

Qui plus est, une surface d'échange supplémentaire peut être obtenue en étendant le périmètre de la feuille (5) dudit matériau au delà du périmètre global (4) du panneau initial, et ce, grâce à la faible épaisseur de la feuille, en conservant, par rapport à un panneau « roll-bond » ou « Z-bond » de l'art antérieur, un gain global très sensible sur la quantité de métal et donc sur le poids, mais aussi sur le coût de fabrication unitaire.

Pour ce qui concerne ce dernier point, outre la plus faible quantité de métal mise en œuvre par panneau selon l'invention, d'autres paramètres agissent de façon tout à fait favorable.

Dans le cas du procédé « roll-bond », la vitesse de laminage de la bande de largeur plus importante, du fait de la présence de deux panneaux imbriqués dans ladite largeur, est sensiblement inchangée et de ce fait le temps de laminage par panneau est réduit presque de moitié ; le gain de coût relatif à cette opération est de ce fait de l'ordre de 40 %.

Il en va de même dans le cas du procédé « Z-bond » pour l'opération de pressage à chaud qui concerne aussi deux panneaux.

Le même raisonnement s'applique pour l'opération de gonflage des circuits intégrés et pour l'opération de poinçonnage au cours de laquelle sont réalisés les reliefs sur les panneaux (pastilles du bouilleur, découpe d'angles, etc...).

Le surcoût lié à l'intégration de l'opération de découpe des panneaux dans cette même étape de poinçonnage est négligeable par rapport au gain réalisé.

D'autres gains annexes sont également réalisés du fait que les opérations portent en même temps sur une plaque comportant deux panneaux.

C'est le cas de toutes les opérations de manutention des plaques jusqu'à la découpe finale ; mais aussi, la capacité de production ou productivité des machines des divers postes est également presque doublée et leur durée de vie en nombre de panneaux réalisés est de la même façon très sensiblement augmentée.

Enfin, le coût de transport des panneaux est également réduit du fait de leur poids réduit, typiquement de l'ordre de 30 %. Un bilan typique, comme le montreront les exemples, est un gain de coût de 25 % par rapport à un panneau du type « roll-bond » de l'art antérieur, avec un rendement thermique quasiment inchangé (perte de l'ordre de 1 %). Un panneau selon l'invention présente donc un coût inférieur à celui des panneaux du type « à tôle et tube » et une performance nettement supérieure, quasiment égale aux meilleurs standards obtenus avec les panneaux du type « roll-bond » de l'art antérieur.

Selon un mode de réalisation de l'invention, le panneau de départ, du type connu sous l'appellation « OSF », comporte une face déformée par gonflage et une face plane.

La feuille autocollante est alors encollée sur une seule face et appliquée sur la face plane du panneau. Il peut alors notamment être positionné dans le compartiment d'un réfrigérateur ou congélateur.

Dans un autre mode de réalisation préférée, le panneau comporte également une face déformée par gonflage et une face plane, et la feuille autocollante, encollée sur ses deux faces, est appliquée sur la face plane du panneau. Cette dernière peut ainsi être facilement collée sur l'arrière du compartiment d'un réfrigérateur ou congélateur, zone revêtue ensuite de mousse isolante.

Selon une autre variante de l'invention, le panneau de départ, du type connu sous l'appellation « biface », comporte deux faces déformées par gonflage. La feuille autocollante est encollée sur une seule face et appliquée sur l'une quelconque des deux faces du panneau qui peut notamment être installé dans le compartiment d'un réfrigérateur ou congélateur.

Dans un autre mode de réalisation, le panneau comporte également deux faces déformées par gonflage, et la feuille autocollante, encollée sur ses deux faces, est appliquée sur l'une quelconque des deux faces du panneau. Celle-ci peut notamment être collée typiquement à l'intérieur du compartiment d'un réfrigérateur ou congélateur.

Selon une variante avantageuse de l'invention, la face du panneau non revêtue de la feuille autocollante conductrice est recouverte d'une feuille de matière plastique tendue sur ladite face et solidaire de la feuille autocollante, avec laquelle elle est en contact à travers les espaces libres pré-cités et la surface s 'étendant au-delà du périmètre des panneaux initiaux tels qu'à l'issue de l'opération de poinçonnage.

Cette protection supplémentaire est plus particulièrement avantageuse dans le cas des panneaux à une face déformée par gonflage et une face plane collée par l'intermédiaire de la feuille autocollante sur le compartiment d'un réfrigérateur ou congélateur. La feuille supplémentaire permet notamment, lors du dépôt ultérieur sur la face non collée au compartiment, de mousse polymère isolante, pratique relativement courante, d'éviter toute pénétration de ladite mousse entre la feuille autocollante et le panneau par les espaces libres ou le pourtour du panneau initial. Elle assure par ailleurs une protection supplémentaire contre une éventuelle corrosion. Les panneaux en aluminium à circuit intégré obtenus par le procédé selon l'invention peuvent être utilisés de façon non restrictive comme échangeurs de chaleur, et plus particulièrement comme circuits de refroidissement de réfrigérateurs ou congélateurs, encore dénommés évaporateurs. Dans ce dernier cas, une disposition particulièrement avantageuse consiste à utiliser un panneau comportant une face déformée par gonflage et une face plane collée, par l'intermédiaire de la feuille autocollante à double face, sur le compartiment d'un réfrigérateur ou congélateur.

Enfin, selon un dernier mode de réalisation de ces panneaux, une face peut comprendre un revêtement sélectif, à absorbance élevée dans le spectre solaire, et à émittance faible dans l'infrarouge à 100 ⁰ C, de manière à former à former un panneau dit "absorbeur solaire".

Ils peuvent alors être utilisés comme capteurs d'énergie solaire et plus particulièrement comme échangeurs de chaleurs dans des installations de chauffage par énergie solaire.

Exemples

Exemple 1 : Une première réalisation est représentée en figure 2 ; ce panneau selon l'invention est obtenu à partir de panneaux initiaux, ou panneaux de départ, du type « roll-bond », comportant une face déformée par gonflage et une face plane, connus sous l'appellation « OSF ».

Les tôles le constituant ont une épaisseur de 1,2 mm ; l'alliage utilisé pour la face déformée est du type 1050 selon la nomenclature de l' « Aluminum Association »; et pour la face plane du type 8006.

Comme visible sur la figure 2, le panneau comporte quatre boucles et un bouilleur d'une hauteur de 50 mm.

La largeur du canal (3) du circuit est de 13 mm.

Le fluide caloporteur frigorigène utilisable pour ce type de panneau est de l'iso butane connu dans la profession sous la désignation R 600.

Une feuille (5) en alliage d'aluminium encollée sur ses deux faces (feuille autocollante biface) d'une épaisseur de 100 μm, disponible dans le commerce, est utilisée, pour combler les espaces (6) et s'étend au delà du pourtour extérieur du panneau obtenu à l'issue du poinçonnage.

Exemple 2 : le panneau selon la figure 3 est obtenu selon le même mode de fabrication que ci-dessus ; ce panneau possède une boucle et un bouilleur d'une hauteur de 50 mm ; le canal a toujours une largeur de 13 mm.

Résultats :

Ils sont récapitulés dans le tableau 1 ci-dessous en comparaison avec un évaporateur de référence du type « roll-bond » réalisé selon l'art antérieur avec la même configuration, c'est à dire comportant une face déformée par gonflage et une face

plane, les mêmes épaisseurs de tôles constituées des mêmes alliages et de dimensions correspondant au panneau selon l'invention obtenu après découpe par poinçonnage, mais sans évidement.

Tableau 1

Ces résultats correspondent à une utilisation des panneaux selon l'invention, ainsi que du panneau de référence, comme évaporateur de réfrigérateur.

Les coûts ont été calculés selon la même méthode dans tous les cas ; ils intègrent les coûts liés à la matière et les coûts de transformation jusqu'à l'obtention du produit fini prêt pour l' emballage et l' expédition.

Les gains de poids indiqués correspondent également, dans tous les cas, aux produits finis.

En ce qui concerne la consommation énergétique, elle correspond à la méthode de mesure suivante : La cuve en matière plastique d'un réfrigérateur simple dit « cooler », de classe énergétique A, d'un volume interne de 250 litres, est découpée pour permettre la substitution de l' évaporateur.

Des dispositifs de raccordement rapide, avec le capillaire pour l'alimentation en liquide d'une part, et avec le tube d'aspiration pour le gaz d'autre part, sont mis en place.

L'évaporateur d'origine est remplacé par l' évaporateur selon l'invention ou par l' évaporateur de référence.

Après avoir replacé la cuve plastique et isolé l'ensemble, il est aisé de déterminer, dans les conditions standards du test selon la norme NF-EN 153, la consommation de l'appareil muni de l'évaporateur correspondant.

Le tableau 1 montre clairement sur ce point une quasi-équivalence entre les évaporateurs selon l'invention et l'évaporateur de référence.

Par contre, le gain de poids est sensible, mais surtout le gain de coût est important ; De l'ordre de 25 % dans le cas du panneau à quatre boucles selon l'invention, il permet de le ramener, dans ce cas, à un niveau inférieur à celui d'un évaporateur à « tôle et tube » ; de l'ordre de 15 % dans le cas du panneau à une boucle, il se situe à un niveau équivalent.

Ainsi l'objectif fixé, exprimé par le problème posé, de fournir un procédé de fabrication de panneaux échangeurs thermiques à circuit intégré à partir de plaques réalisées selon le procédé du type « roll-bond » ou « Z-bond », à un coût semblable ou inférieur à celui des « échangeurs à tôle et tube », sans perte notable en termes de rendement thermique et performance, peut être considéré comme atteint.