Brevet FR2037181A1 — publié le 19701231

i 2037181 La présente intention concerne des dispositifs-de transfert de chaleur tels que des échangeurs et des régénérateurs de chaleur qui utilisent des claques perforées et empilées pour assurer un transfert de chaleur entre des 5 écoulements ou des zones des dispositifs échangeurs de chaleur. L'invention concerne plus particulièrement des structures dans lesquelles il est prévu un décalage entre les perforations de 'plaques adjacentes cour obtenir un bon, transfert de chaleur entre des canaux ou zones des dits dispositifs. 0 Dans, le Brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3 477 504 cédé à la demanderesse, on a décrit un échangeur de chaleur à plaques perforées et à écoulements à contre - courant qui est en particulier utilisable dans des circuits de réfrigération cryogénique. L'échangeur de chaleur est muni de plu-15 sieurs plaques perforées, de haute conductivité, espacées les unes des autres par des séparateurs ou entretoises de faible conductivité de façon à former avec les plaques deux canaux dans lesquels passent des courants s'écoulant en sens inverse l'un de l'autre. (Jn décalage entre perforations ou 20 trous ménagés dans des plaques adjacentes oblige les courants à suivre des parcours tortueux. Il en résulte que les couches limites hydrodynamiques et thermiques formées sont détruites à chaque plaque. Une telle disposition oer-ment d'obtenir des taux de transfert de chaleur plus élevés 25 que si l'écoulement progressait d'une plaque à l'autre sans être dévié ou inversé. Dans 1'échangeur de chaleur à plaques perforées mentionné plus haut, il se pose un problème • en ce qui concerne l'établissement d'un alignement ou d'un décalage entre les trous des plaques. Du fait que les 30 trous sont très petits, par exemole de l'ordre de 0,025 mm de diamètre, .il devient difficile de positionner, les plaques en cours de fabrication de faç'on à assurer un décalage entre les trous. Par exemple, si deux plaques rectangulaires pourvues de aetits trous présentant les dimensions précitées sont 35 placées l'unesur l'autre et si les trous sontalignés, les plaques peuvent être décalées entre elles en déplaçant la plaque supérieure vers la droite ou vers la gauche seulement de la moitié de la distance entre tous. Du fait des écartements réduits entre trous , il devient très difficile , 40 en cours de fabrication d ' aligner ou de décaler 70 08728 2 2037181 les trous d'une façon efficace. Même lorsque deux jeux séparés de plaques présentent des trous espacés de ls distance nécessaire, il est difficile d'établir un décalage entre les deux jeux lorsque les plaques sont imbriquées les unes dans les 5 autres. En conséquence, l'invention a pour but de réaliser un dispositif simple oour établir un décalage entre les trous ménagés dans deux plaques perforées/ "" L'invention a également pour but de réaliser un dispo-.0 sitif permettant d'établir le décalage maximal entre les trous dans deux plaques perforées identiques et adjacentes. L'invention a également pour but de réaliser un dispositif de transfert de chaleur utilisant dés olaques perforées et dans lequel des plaques adjacentes comportent des trous 15 décalés, les plaques pouvant avoir une structure identique, en vue de leur fabrication et leur assemblage et d'obtenir une structure dans laquelle les trous de plaques adjacentes sont décalés au maximum. Dans un mode de réalisation de l'invention, appliquée 20 à un échangeur de chaleur, il est prévu des plaques perforées de façon identique.. Chaque plaque comporte plusieurs rangées parallèles de trous. L'écartement entre trous adjacents dans chaque rangée est identique et l'écartement entité trous de rangées adjacentes est tel qu'un trou d'une rangée fçrme avec 25 deux trous adjacents d'une rangée adjacente un triangle équi-latéral. Lorsque deux plaques du typé précité sont situées dans des plans parallèles et adjacents entre eux et lorsqu' une rangée d'une plaque est décalée angulàirement de 30® par rapport à une rangée correspondante de l'autre plaque, on ob-30 tient un décalage maximal. Un mouvement latéral des plaques l'une par rapport à l'autre ne modifie pas le motif de' la répartition des trous, c'est-à-dire que 1 ^écoulement étranglé s'effectuant au travers des deux plaques n'est pas altéré. Dans des configurations rectangulaires, le décalage désiré 35 de 30° ou d'un multiple-impair de cette valeur, par exemple de 90° ou 150°, entre des rangées correspondantes de plaques adjacentes peut être égalenient obtenu en utilisant des plaques de formes identiques. Les rangées de trous sont alignés suivant un angle de 45° par rapport a un côté de la plaque rectangu-40 la ire". Une rotation de la plaque d'un angle de 180° autour 70 08728 3 2037181 d'un axe oarallèle à un côté produit un slignement dans lequel les rangées sont écartées de 135° par rapport au côté d'origine. Lorsque deux plaques de ce type sont empilées dans des oositions adjacentes, à savoir une plaque dans la position initiale et une 5 plaque dans la position de rotation, les angles entre rangées correspondantes sont égaux à la différence entre 135 et 45° ou à 90°. En conséquence, on obtient le décalage maximal. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée q-ui suit et à l'examen du dessin annexé 10 qui représente, à titre d'exemple non limitatif, des 'nodes de réalisation de l'invention. Sur les dessins ; la fig. 1 est une vue en olan, en partie coupe, montrant un échangeur de chaleur suivant l'invention ; 15 la fig. 2 est une vue en perspective éclatée-d'une paire de plaques perforées séparées par une entretoise telle que celle de la fig. 1 ; la fig. 3 représente des parties de plaques perforées correspondant aux rectangles en traits interrompus de la fig. 2 20 et destinées à montrer les relations entre les rangées de trous ; la fig. 4 est une vue. en plan, en oartie'en coupe, d'un autre ^ode de réalisation de l'invention dans lequel l'é-changeur de chaleur a un profil circulaire et comporte dés plaques perforées et d'entretoises circulaires ; 25 la fig. 5 est une vue éclatée de deux plaques perforées et d'une plaque entretoise qui interviennent dans le mode de réalisation de la. fig. 4 ; la fig. 6 représente des parties des plaques perforées entourées par des cercles en traits interrompus de la fig. 5, de 30 manière à montrer les relations entre les rangées de trous. Sur la fig. 1, on a représenté un échangeur de chaleur 10 comprenant plusieurs plaques perforées de haute conductivité et plusieurs séparateurs et entretoises 12 de faible conductivité. On a représenté sur la fig. 2 une seule entretoise 13 et 35 deux plaques adjacentes 14, 15. L'entretoise comporte une bordure périphérique 16 de orofil rectangulaire et deux éléments d'entre-toise 16& et 16b s'étendant entre les côtés courts de la bordure 16 de façon à former trois ouvertures oblongues -17-, .18,-19 dans ■la plâque-entretoise. Chacune des olaques 14, 15 comporte des . 40 pla-ges oblongues 21, 22, 23, correspondant respectivement aux 70 08728 4 2037181 parties oblongues 17, 18, 19 de 1'entretoise. Chacune des plages oblongues 21, 72 23 des plaques 14, 15 comprend plusieurs trous °5. Tous les trous de la olaque 14 sont alignés de façon à former les rangées parallèles 26, chsque rangée faisant un angle de 45° 5 avec la direction longitudinale de la plaque. Les écartements entre trous 25 de chaque rangée sont identiques et chaque' rangée est espacée d'une rangée adjacente de manière qu'un trou d'une rangée forme avec deux trous adjacents d'une rangée adjacente, un triangle équilatéral. De façon similaire, les trous 25 de chaque 10 plage des olaques 15 sont alignés sous forme de rangées parallèles 27, chaque rangée faisant un angle de 135° avec la direction longitudinale de la plaque. Les trous de chaque rangée sont espacés d'intervalles égaux de trous adjacents, et les trous d'une rangée sont espacés des trous d'une rangée adjacente de manière 15 qu'un trou d'une rangée forme avec deux trous adjacents d'une rangée adjacente un triangle équilatéral. Les plaques 14 et 15 sont de préférence identiques. La manière dont des plaques identiques sont alignées pour obtenir l'alignement des trous reoré-senté sur la fig. 2 va être exoliquée en référence à la fig. 3 20 L'échangeur de chaleur 10 de la fig. 1 comprend plu sieurs plsquesidentiques 11 séoarées par plusieurs entretoises 12. Les différentes plaques présentant l'alignement de trous correspond à la plaque 14 sont imbriquées avec plusieurs plaques présentant un alignement de trous tel que celui de la olaque 15. ^5 Les plaques sont elles-mêmes imbriquées avec les entretoises 12. Les plaques 11 neuvent être formées d'aluminium et les trous sont réalisés par perçage, poinçonnage, décapage ou par d'autres pro-dédés appropriés. Les entretoises 11 oeuvent être formées d'une matière plastique qui est facile à fixer sur l'aluminium. Lorsque 30 les plaques et les entretoises sont alignées de façon que les ouvertures oblongues 17, 18, 19 et les plages oblongues °1, 22, 23 des plaques soient alignées ou en coïncidence , trois canaux 40, 41, 42 correspondant aux ouvertures oblongues 17, 18 et 19 des entretoises 12 sont formées. 3 5 Un collecteur est formé a chaque extrémité dé 1'échan geur de chaleur. Le collecteur 3 70 08728 5 2037181 cuvette entre en contact avec la bordure de la plaque-entretoise 13 de 1'échangeur de chaleur et que la lèvre des cloisons sépa-trices 32 et 33 entre en contact avec les bandes 16g. et 16b de l'entretoise, en vue d'établir un contact étroit et étanche. Le 5 collecteur 35 est prévu à 1'autre extrémité de l'échangeur de chaleur est similaire au collecteur 30. Plusieurs conduits ou tubulures 43a, 43b et 43ç sent prévus a chaque extrémité de l'é-changeur de chaleur et ils établissent chacun une communication avec un canal respectif 40, 41, 42. Le canal 40 peut être un 10 canal chaud d'un échangeur de chaleur à contre-courant et les deux autres canaux 41, 42 peuvent être reliés entre eux de façon à constituer le canal froid de l'échangeur. Dans le cas où des plaques identiques sont prévues dans 1'échangeur de chaleur, des fluides s'écoulent dans ce dernier en suivant un parcours tor-15 tueux. Lorsque des trous sont ménagés dans les plaques et" lorsque les plaques sont agencées comme indiqué sur la Fig. 3, on obtient un décalage efficace entre trous de plaques adjacentes. Sur la Fig. 3, on a représenté des parties 45 et 46 des plaques 14 et 15 de la Fig. 2. La partie 45 correspond 70 à la plage 47 de la plaque 14 entourée par des traits interrompus sur la.Fig. 2, tandis que la partie 46 correspond à la plage 48 de la plaque 15 également entourée par des traits interrompus sur la dite figure. Les trous 25 ménagés dans les parties de plaque 45 et 46 sont réoartis en plusieurs rangées parallèles, 25 chaque rangée faisant un angle de 45° avec le côté long de la zone rectangulaire, comme indiqué sur la figure. Les trous de chaque rangée sont esoacés d'intervalles égaux. Les rangées sont espacées de manière que le centre d'un trou d'une rangée forme un triangle équilatéral avec les centres de deux trous adjacents 30 d'une rangée adjacente. Un tel triangle équilatéral a été indiqué en 49. La rangée numérotéeSl fait un angle de 45° avec une ligne partant de l'intersection de la rangée avec le côté long inférieur 52 du rectangle et s'étendant vers la droite. La partie 46 est obtenue en faisant tourner la partie 45 de 180° autour d'un axe parallèle aux côtés longs de la dite partie. La r.-ngée 51 de la partie 46 fait un angle de 135° avec une ligne partant de l'intersection de la rangée 51 avec le côté long de la partie rectangulaire et s'étendant vers la droite. Les plaques 14 et 15 peuvent être identiques, et avoir des formes identiques ; et 40 l'aligne ent de la plaque 14 par rapport à la 70 08728 6 20.37181 plaque 15 est obtenu en faisant tourner la plaque 15 de 180° autour d'un axe parallèle aux côtés longs de la dite plaque. Sur la Fig. 4, on a représenté> un autre mode de réalisation d'un échangeur de chaleur 60 comprenant plusieurs plaques «s perforées de haute conductivité et plusieurs plaques-entretoises. 62 de feible condutivité, tous ces éléments ayant un profil circulaire. On a représenté sur la Fig. 5, une seule plaque-entretoise et deux olaques adjacentes 64 et 65. L'entretoise 63 com-morte une bordure extérieure 66 de profil, circulaire et une bor-10 dure concentrique intérieure 67 également de orofil circulaire et reliée à la bordure extérieure par deux éléments d'entretoise 68 et 69 de façon à délimiter trois ouvertures, à savoir une ouverture centrale 71 et deux ouvertures latérales 72 et 73. Chaque plaque 64, 65 comporte des plages ou zones similaires 81 et une 15 plage ou zone concentrique 82 correspondant respectivement aux ouvertures 71, 72 et 73 de l'entretoise 63. Chacune des zones 81 et 82 des plaques 64 et 65 comprend plusieurs trous 75. Tous les trous de la plaque 64 sont alignés ée façon à former des rangées parallèles 76. Le.s écartements des trous dans chacune des ?0 rangées sont identiques et chaque rangée est espacée d'une rangée adjacente de manière qu'un trou d'une rangée forme un triangle équilatéral avec deux trous adjacents d'une rangée adjacente. De façon similaire, les trous de chacune des zones de la plaque 65 sont alignés sous forme de rangées parallèles 76, chaque rangée 05 faisant un angle de 30°, ou un multiple impair de 30°, avec une rangée correspondante de la plaque 64, Les trous de chaque rangée sont espacés d'intervalles égaux de trous adjacents et les trous d'une rangée sont espacés des trous d'une rangée adjacente de manière qu'un trou d'une rangée forme un triangle équilatéral avec deux trous adjacents d'une rangée adjacente. Les plaques 64 et 65 sont de préférence identiques. La manière dont les plaques identiques peuvent être alignées pour obtenir une disoosition telle que celle de. la Fig. 5 consiste à faire tourner la plaque 65 de 3Oa autour d'un axe traversant la plaque à par-tir d'une 35 position identique à celle de la plaque 64, Lféchangeur de chaleur 60 de la Fig, 4 comprend plusieurs plaques identiques 61 séparées par plusieurs entretoises 6"^. Les différentes plaques 61 présentant l'alignement de trous indiqués pour la plaque 64 sont imbriquées avec plusieurs plaques 40 présentant l'alignement de trous indiqués.pour la plaque 65. Les 70 08728 7 2037181 plaques 61 sont elles mêmes imbriquées avec les entretoises 62. Les plaques 61 peuvent être formées d'-aluminium et les trous peuvent être réalisés par perçage, poinçonnage, décapage ou par d'autres procédés appropriés. L'entretoise peut être formée d'une "s matière plastique pouvant être commodément assemblée avec l'aluminium. Lorsque les plaques 61 et les entretoises 62 sont alignées de façon que l'ouverture 71 et les ouvertures 72 et 73 du séparateur 63 soient alignées, deux c?naux 95 et 96 correspondant respectivement à l'ouverture 71 et aux ouvertures 72, 73 asso-10 ciées sont formés. Il est évident que les éléments d'entretoise 68 et 69 d'entretoises adjacentes 62 ne sont pas alignés pour permettre un écoulement du fluide dans toutes les parties du canal extérieur 96. Il est prévu à chaque extrémité de 1'échangeur de cha-15 leur 60 un collecteur. Le collecteur 84 comprend un élément 85 en forme de cuvette circulaire et comportant une cloison séparatrice cylindrique concentrique 86 formée dans sa base. Lorsque le collecteur 84 est fixé à l'extrémité de l'échangeur de chaleur, la lèvre de la cuvette 85 entre en contact avec la bordure de l'en-20 tretoise 62 tandis que la lèvre du cylindre 86 entre en contact avec l'élément d'entretoise 67 de l'entretoise 62 en vue d'établir un contact étroit et étanche. Le collecteur 90 orévu à l'autre extrémité de l'échangeur de chaleur est similaire au collecteur 84. Deux conduits 25 ou tubulures 91 et 92 sont prévues à chaque extrémité de manière à établir une communication avec les deux canaux 95 et 96 correspondant à l'ouverture 71 et aux ouvertures 72, 73 du séparateur 63. Le canal 95 peut être un canal d'un échangeur de chaleur à contre-courant tandis que l'autre canal 96 oeut constituer 30 l'autre canal de l'échangeur. Avec la disposition de plaques identiques agencées comme décrit plus haut dans l'échangeur de chaleur, des fluides passant dans l'échangeur de chaleur sont obligés de suivre un parcours incurvé ou ondulé. Sur la Fig. 6, on a représenté des parties des plaques 35 64 et 65 de la Fig. 5. La partie 101 correspond à la zone 102 de la plaque 64 tandis que la partie 103 correspond à la zone 104 de la plaque 65 de la Fig. 5. Les trous 75 des parties précitées des plaques sont disposés sous forme de plusieurs rangées parallèles 100. Les trous de chaque rangée sont espacés d'intervalles 40 égaux. Les rangées sont espacées de manière que le centre d'un 70 08728 8 2037181 trou d'une rangée forme un triangle équilatéral avec les centres de deux trous adjacents d'une rangée adjacente. Le triangle équilatéral est indiqué en 105 par des lignes interrompues. Un décalage entre les parties identiques 101 et 103 est établi simplement par une rotation de 30°, ou d'un multiple impair de cette valeur, de la partie 103 autour d'un axe perpendiculaire au plan de la plaque. Les perforations 75 ont un diamètre, et un espacement par rapport à des perforations adjacentes d'une plaque, permettant d'obtenir une bonne transmission de la chaleur dans les plaques entre les canaux. De préférence, tous les trous 75 ont le même diamètre bien que les diamètres puissent être modifiés tout en conservant les centres des trous de chaque rangée également esoacés et les rangées espacées pour maintenir le triangle équilatéral entre le centre d'un trou d'une rangée et deux centres adjacents d'une rangée adjacente. 70 08728 9 2037181 REVENDICATIONS 1°) Echangeur de chaleur pour transférer de la chaleur entre deux zones, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs plaques perforées de haute conductivité, plusieurs entretoises 5 de faible conductivité, chaque entretoise étant placée entre et en contact avec des plaques adjacentes et comportant une bordure périphérique et un élément séoarateur solidaire de et s'étendant entre des parties de la dite bordure, lesdites entretoises étant alignées pour former deux canaux, en ce que chaque plaque per-10 forée comporte plusieurs rangées de trous dont les centres sont situés sur des lignes parallèles et également espacées, les trous de chaque rangée étant également espacés l'un de l'autre, et un trou d'une rangée formant un triangle équilatéral avec deux trous adjacents d'une rangée adjacente et une rangée d'une plaque étant 15 décalée angulsirement d'un multiple impair de 30° à partir d'une rangée correspondante de trous d'une plaque adjacente de' manière que les trous d'une plaque soient décalées au maximum par rapport à des trous d'une plaque adjacente. 2°} Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, 20 caractérisé en ce que chaque entretoise a un profil oblong présentant une dimension longue et une dimension courte perpendiculaires entre elles, en ce que chaque entretoise est reliée à des plaques adjacentes, en ce que les dites plaques ont un profil rectangulaire, en ce que les rangées de trous de chaque plaque 25 perforée sont orientées suivant un angle de 45® par rapport à un côté de chaque plaque et sont orientées suivant un angle de 135° par rapport à l'autre côté de chaque plaque et en ce que les différentes plaques sont empilées de manière qu'un côté d'une plaque coïncide avec l'autre côté de plaque adjacente. 30 3°) Echangeur de chaleur suivant le revendication 1, caractérisé en ce que chaque entretoise a un profil circulaire, en ce que chaque plaque a un profil circulaire et en ce que des rangées correspondantes de plaques adjacentes sont décalées de 30° entre elles. 35 4°) Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, ou 3, caractérisé en ce que tous les trous ont le mê«e diamètre. 5°) Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 4, caractérisé en ce qu'un côté du dit tri-40 angle équilatéral est égal au double du. diamètre d'un trou.